Ku波段低相噪頻率綜合器設計

金 力，楊 玲

（中國兵器裝備集團成都火控技術中心 四川 成都 611731）

1 引言

頻率綜合器又稱之為頻率源，主要功能是產生電子系統所需要的各種形式的頻率信號，在通訊、雷達、電子對抗、遙控遙測和儀器儀表等眾多領域應用廣泛，是電子設備射頻前端的核心部件之一，其性能的優劣直接影響系統整機的性能和指標。隨著電子科學技術的快速發展，現代雷達系統對頻率綜合器的要求也越來越高，低相位噪聲、低雜散抑制、高穩定度已成為頻率綜合器的發展趨勢。

多普勒雷達是通過測量有用回波信號所產生的多普勒頻移來確定運動目標的速度。回波信號不僅包括有用的運動目標回波，還包括從大地或固定目標反射回來的干擾信號。這些回波信號經過接收機下變頻后，能否區分的關鍵取決于其邊帶噪聲，特別是對于低小慢目標，相位噪聲決定了系統的靈敏度和選擇性能，成為雷達設備中要求最為嚴苛的指標之一[1]。

本文重點介紹了一種能夠有效抑制相位噪聲和雜散信號的頻率綜合器設計方法，并且通過原理樣件研制，獲得了雜散和相位噪聲的測試結果，能夠對工程樣件以及正式產品的研制提供借鑒和參考。

2 方案設計

2.1 相位噪聲模型設計

傳統的頻率綜合器設計是直接采用反饋支路分頻鎖相方式,但這樣的方式會使得環路分頻比變大，同時也會抬高環路內部噪聲電平，并且增加頻率轉換時間。這種設計方法已不能滿足現代雷達對變頻帶寬和頻率間隔的要求，因此急需對噪聲模型進行重新設計。目前，業內提出了一種混頻鎖相設計方式，可以有效減小鎖相環路分頻比，有助于改善雷達系統的動態響應和相位噪聲指標,其基本工作原理是將基準信號與反饋信號在鑒相器中進行相位比較，輸出電壓通過環路濾波器來抑制噪聲的高頻分量來控制VCO，系統通過改變反饋支路混頻后的分頻比，實現頻率捷變。當環路被鎖定時，輸出頻率f0=(M+N/R)fr，頻率間隔為Δf=fr/R。其原理框圖如圖1所示[2]。

圖1 環內混頻鎖相環框圖

鎖相環附加相位噪聲的原理框圖如圖2所示，其中，θcry(s)、θR(s)、θpd(s)、θN(s)和θv(s)分別為晶振、R分頻器、鑒相器、N分頻器和壓控振蕩器的附加相位噪聲的拉普拉斯變換。鎖相環鎖定時近似為線性系統，根據負反饋理論，可得鎖相環輸出的相位噪聲為[2]：

圖2 鎖相環路附加相位噪聲原理圖

L(f)是單邊帶相位噪聲功率密度與載頻功率之比，H(f)是鎖相環閉環傳遞函數，He(f)是鎖相環誤差傳遞函數。對于Ku波段頻率綜合器設計而言，M值較大，而N值較小，因此通過優化偏置頻率和分頻比，便可以得到性能最佳的相位噪聲[3]。

2.2 頻率綜合器設計

為進一步改善輸出信號在近區的相位噪聲指標，在第一本振設計上，可以考慮采用環內混頻鎖相方式，其主要方法是將晶體振蕩器二分頻后的基準信號與VCO和頻標組件下變頻后的分頻信號進行鑒相處理，最后經濾波器濾波后去鎖定VCO的輸出頻率；第二本振擬采用反饋分頻鎖相環設計方式，同時，為滿足波形的設計要求，激勵源擬采用DDWS+上變頻的方式產生[4]。Ku波段頻率綜合器的設計框圖如圖3所示。

圖3 頻率綜合器電路設計框圖

3 關鍵技術分析與論證

3.1 相位噪聲分析

根據原理與工程經驗，鎖相環在近區附近的相位噪聲主要由Ku頻標、參考源以及鎖相環器件的剩余相位噪聲共同決定，遠區的相位噪聲主要由VCO所決定。本Ku波段頻率綜合器擬采用的晶振相位噪聲為-160dBc/Hz@1KHz，分頻器的剩余相位噪聲為-142dBc/Hz@1KHz，分頻器剩余相位噪聲起主導作用，故參考輸入的相位噪聲為-142dBc/Hz@1KHz左右。鎖相環反饋端經過20分頻后，相位噪聲將惡化26dB，同時在工程設計中還可能引入3dB左右的指標惡化，因此輸出相位噪聲應為-113dBc/Hz@1kHz左右。最后，輸出信號與相位噪聲優于-110dBc/Hz@1kHz的Ku頻標相混頻，輸出相位噪聲應為-110dBc/Hz@1kHz左右[5]。

3.2 雜散抑制分析

鎖相環可看作窄帶濾波器，能有效濾除環路帶寬外的雜散。本振雜散主要來自鑒相頻率泄漏，環路濾波器采用有源比例積分濾波器，鎖相環對鑒相頻率有70dBc左右的抑制。

激勵雜散主要來自DDWS和本振的交調產物。DDWS可通過測試雜散的分布和強度，進行合理的頻率規劃避開雜散較高的區域并用濾波器濾除雜散。交調產物可選取合適的混頻器加以優化，混頻器主要雜散如表1所示。表1表明在輸出LO+IF與附近的LO及LO＋2×IF在頻譜上有一定的距離，可用濾波器予以濾除。

表1 交調產物及相對抑制

除了在電路上采取措施外，結構盒體采用分腔設計增強隔離，適當增加螺釘數量以減小縫隙及信號泄漏。

4 研制結果

頻率綜合器的相位噪聲和雜散如圖4和圖5所示，均采用Agilent公司N9030A頻譜分析儀得到測試結果。圖4顯示的微波本振相位噪聲優于-111dBc/Hz@1kHz,圖5顯示的測試結果為在100MHz帶寬內，雜散電平小于-70dBc，符合技術指標要求。

圖4 頻率綜合器相位噪聲測試結果圖

圖5 頻率綜合器雜散指標測試結果圖

5 結語

本文通過對頻率綜合器低相噪、低雜散的理論與工程研究，成功研制了原理樣件，并且通過測試和對比，各項指標滿足設計要求，能夠為高性能頻率綜合器工程樣件以及正式產品的研制奠定基礎。隨著微波元器件性能的持續發展，高性能頻率綜合器將得到越來越廣泛的應用。

[1]Ulrich L.Rohde，Microwave and Wireless Synthesizers Theory and Design，John Wiley & Sons,1997.

[2]白居憲.低噪聲頻率合成,西安交通大學出版社，1995.

[3]丁鷺飛.雷達原理(第五版),西安電子科技大學出版社,2014.

[4]斯科尼克主編.雷達手冊(第三版),南京電子技術研究所譯，電子工業出版社,2010.

[5]VadimManassewitsch.頻率合成原理與設計(第三版),何松柏，宋亞梅，鮑景富，等譯,電子工業出版社，2008。