基于低相噪的Ku波段頻率合成器研究

陸斌 許松松 高睿劼

摘 要：頻率合成器主要以精準的傳輸方式以及穩(wěn)定的傳輸形態(tài)進行信號傳輸。文章以Ku波段低相噪頻率合成器為主要研究對象，針對頻率合成器的技術(shù)內(nèi)容進行多角度、多層次、多維度的分析和論述，結(jié)合筆者在頻率合成器領(lǐng)域的科研經(jīng)驗，提出一系列與Ku波段低相噪頻率合成器相關(guān)的研究內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：Ku波段;低相噪;合成器

0 ? 引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，頻率合成器領(lǐng)域也發(fā)生了翻天覆地的變化，一方面，以Ku波段為代表的頻率合成器，其設(shè)備信號接收頻率的穩(wěn)定性得到有效的提升和改善，另一方面，頻率合成器的體積和功能得到不同程度的改善和提升，引發(fā)從業(yè)人員的思考和議論[1]。

1?Ku波段低相噪頻率合成器的主要指標

Ku波段低相噪頻率合成器（見圖1）的主要技術(shù)指標有：晶振頻率、輸出射頻頻率、本振信號和發(fā)射信號的單邊帶相位噪聲、本振信號和發(fā)射信號無用頻率分量、隔離、發(fā)射電路預調(diào)制等。這些技術(shù)指標對衡量合成器的應(yīng)用成效具有不可估量的作用和價值，同時相關(guān)技術(shù)內(nèi)容具有嚴格的限制，確保頻率合成器的有效實施。例如，射頻頻率的本振信號，需要符合2 cm的波段頻率;檢測信號頻率需要與發(fā)生信號頻率保持一致;本振信號和發(fā)射信號無用頻率分量需要≤﹣70 dBc;本振電路對發(fā)射信號的隔離≥105 dB，發(fā)射電路對本振信號的隔離≥90 dB;關(guān)通斷比≥85 dB。

2 低相噪Ku波段頻率合成器的合成類型

通常頻率合成器的主要類型有3種：（1）直接式頻率合成器;（2）直接數(shù)字式頻率合成器;（3）鎖相式頻率合成器。3種頻率合成器對應(yīng)的應(yīng)用范圍以及應(yīng)用目標存在明顯的差異，特別是鎖相式頻率合成器，也被稱為間接式頻率合成器，不少頻率合成器的組成類型屬于復合型，是由多種形式共同組合[2]。

2.1? 直接式頻率合成器的應(yīng)用

在頻率合成器領(lǐng)域中，直接式頻率合成器是早期合成器的主要類型，其設(shè)備原理較為簡單，操作方便，可以直接將頻率信號源進行收集，其合成方式主要有兩種形態(tài)：非相關(guān)合成方法、相關(guān)合成方法。主要差異在于二者對應(yīng)的參考頻率不同。直接式頻率合成器的突出特點在于信號分辨率極高，頻率的轉(zhuǎn)化效果快，大多數(shù)情況下頻率轉(zhuǎn)換速度<100 us。同時，該設(shè)備應(yīng)用過程中性能穩(wěn)定，輸出信號頻譜（見圖2）沒有任何的干擾和影響。但是該設(shè)備的缺點也較為明顯，不僅需要大量的電子元件，而且集成難度較高，設(shè)備運行功率較大，在現(xiàn)代移動通信領(lǐng)域中應(yīng)用極為困難[3]。

2.2? 鎖相式頻率合成器

鎖相式頻率合成器是基于鎖相環(huán)路理念下，構(gòu)建的一套閉環(huán)相位控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)輸出信號相位自動跟蹤輸入的信號相位。鎖相環(huán)路技術(shù)可以實現(xiàn)對相位的有效跟蹤，得益于信號輸入與輸入信號的同步性，同時利用相位的負反饋控制系統(tǒng)來實現(xiàn)相應(yīng)功能。鎖相式頻率合成器主要由3個核心構(gòu)件組成，其一為鑒相器PD，其二為環(huán)路濾波器LPF，其三為壓控振蕩器VCO。

2.3? 直接數(shù)字式頻率合成器

直接數(shù)字式頻率合成器是近年來頻率合成技術(shù)的創(chuàng)新產(chǎn)物，一方面，該技術(shù)的應(yīng)用有效規(guī)避了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)的缺陷和不足，另一方面，該型號頻率合成器主要是借助數(shù)字處理技術(shù)，將數(shù)字信號理論與頻率合成技術(shù)有效結(jié)合，成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)的發(fā)展方向。直接數(shù)字式頻率合成器，對應(yīng)的寬帶范圍較大，同時其頻率轉(zhuǎn)換時間相對較短，可以達到 20 ns以下，在Ku頻率中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用成效。該頻率合成器的頻率分辨率很高，可以達到 0.001 Hz，并利用數(shù)字化技術(shù)可以實現(xiàn)設(shè)備集成，有效實現(xiàn)對輸出頻率的相位控制，提升頻率、相位、幅度等一系列指標的控制程度。最為重要的是，該設(shè)備的應(yīng)用可以實現(xiàn)與現(xiàn)代電子計算機的有效關(guān)聯(lián)，充分發(fā)揮軟件的優(yōu)勢和價值。直接數(shù)字式頻率合成器的應(yīng)用已經(jīng)完全實現(xiàn)數(shù)字電路信息傳遞的科學控制。但是，需要說明的是，雖然利用了數(shù)字技術(shù)，但是直接數(shù)字式頻率合成器的集成電路速度有限，目前的技術(shù)存在一定的天花板，無法滿足更多設(shè)備的有效集成。隨著以砷化鎵為代表的集成控制材料的創(chuàng)新發(fā)展，直接數(shù)字式頻率合成器的上限頻率一定會得到提升和改善。

2.4? 直接數(shù)字式頻率合成器與鎖相式頻率合成器的融合方案

鎖相式頻率合成器具有高頻率、寬頻帶、頻譜純等一系列優(yōu)勢，但是設(shè)備頻率切換速度低，對應(yīng)的頻率分辨率等級較低，而直接數(shù)字式頻率合成器則具有高頻率切換的優(yōu)勢，并且設(shè)備相位分辨率較高，將直接數(shù)字式頻率合成器與鎖相式頻率合成器有效結(jié)合，集中二者的優(yōu)點和優(yōu)勢，提升合成方案的精度和準確度，在部分工程領(lǐng)域開展相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用。

2.5? 直接數(shù)字式頻率合成器激勵鎖相式頻率合成器的合成方案

直接數(shù)字式頻率合成器激勵鎖相式頻率合成器的組合方案，以直接數(shù)字式頻率合成器為主要的參考信號，以鎖相式頻率合成器的頻率分辨率為主要的標準，將寬帶以內(nèi)的雜散信號帶入。

2.6? 轉(zhuǎn)換時間的快捷組合方案

基于直接數(shù)字式頻率合成器與鎖相式頻率合成器的混合方案，其輸出頻率為fOUT=fDDS+NfL，鎖相式頻率合成器作為設(shè)備的本振信號維持不變，頻率轉(zhuǎn)換時間由鎖相式頻率合成器所決定。既能夠體現(xiàn)二者的優(yōu)勢和價值，同時還能夠減少鎖相式頻率合成器雜散問題的影響，提升頻譜的信號質(zhì)量。

2.7? 方案的確定和選擇

根據(jù)頻率合成器的技術(shù)指標，以鎖相式頻率合成器為主要應(yīng)用方案。以 2 cm波段VCO實現(xiàn)鎖相，可以以較寬的寬帶進行信號輸出，缺點是方案需要大量的電子元件，并且受低噪聲、分頻器以及壓控振蕩器噪聲等的影響，加速了頻譜惡化的程度，相噪極差。因此，為了控制輸出頻率的寬帶頻率，需要在Ku波段開展系統(tǒng)的電路工作，從而實現(xiàn)小型化、集成化的發(fā)展趨勢。

綜合考慮各個合成器的應(yīng)用特點與技術(shù)特點，結(jié)合對應(yīng)的難度等級，在發(fā)射路中應(yīng)用鎖相式頻率合成器與直接數(shù)字式頻率合成器的混頻方案，既能夠滿足高頻率的輸出需求，又能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率的分辨率，二者合成器的頻率相差不大，直接將二者進行混合，雜波無法有效消除，因此需要在直接數(shù)字式頻率合成器上的頻源進行變頻，然后再與鎖相式頻率合成器進行混頻，從而實現(xiàn)雜波的有效抑制。

3 結(jié)語

綜上所述，通過在Ku頻率波段的低相噪頻率合成器設(shè)備的研究和分析，從而詳細闡述多種設(shè)備的應(yīng)用能力與應(yīng)用范圍，同時借助不同頻率合成器的特點和優(yōu)勢，深入研究對應(yīng)的融合方案，提升頻率合成器的功能性和適用范圍。

[參考文獻]

[1]金力，楊玲.Ku波段低相噪頻率綜合器設(shè)計[J].信息記錄材料，2018（8）：77-79.

[2]魯長來，汪煒，謝遲.一種Ku波段寬帶低相噪頻率合成器研制[J].雷達與對抗，2018（2）：34-37.

[3]呂迪.Ku波段頻率合成器[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（1）：61-63，66.

（編輯 何 琳）