一种X波段宽带频率合成器设计

摘要：较详细介绍了一种X波段宽带频率合成器的设计，此合成器具有大宽带、快捷变、低相位噪声等特点。设计方案采用高稳定恒温晶体振荡器结合直接频率合成技术。合理的接口设计和电路优化实现了低杂散输出和微型化集成，并给出了设计结果，输出频率X波段，带宽3GHz，步进10MHz，跳频时间3us，相位噪声-105dBc/Hz@1kHz。

关键词：快捷变 直接频率合成 相位噪声

中图分类号：TN74 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）05-0189-02

1 引言

随着现代电子技术发展，战场的电磁环境和电子对抗日趋复杂，为了实现对非合作的雷达信号进行有效实时干扰，侦察、干扰系统必须具有宽带、快捕获和精细的信号分析、仿真能力。为保证先进电子对抗系统实现这种能力，其系统频率合成器必须具有：宽频带、快捷变、高频率稳定特性。同时作为现代先进侦察、干扰设备其微型化和强环境适应性同样是设计重点。目前，主要的频率合成技术有：直接合成、间接合成（锁相环PLL）、直接数字合成（DDS）。直接合成作为频率合成最基本最基础的技术，其特点是电路原理相对简单，跳频时间短、噪声低，特别适合频率转换时间低于10us的系统，缺点是功耗、成本、体积较大。间接合成技术优点是低成本、小体积、小功耗，主要缺点是跳频时间相对较大，快速一般为20us左右，慢者达数百us。直接数字合成优点是频率分辨率高、跳频时间短、直接合成技术优点是频率转换时间短、相位噪声低，其缺点是相位截断和量化误差造成杂谱较大、相位噪声基底偏高。本文主要介绍一种X波段宽带频率合成器，其带宽为3GHz，频率步进10MHz，跳频时间小于4us，相位噪声优于-100dBc/Hz@1kHz。方案采用高稳定恒温晶体振荡器结合直接频率合成技术，通过合理的接口设计和电路优化实现了低杂散和微型化集成。

2 宽带合成器实现

2.1 基本工作原理

该频率合成器基本要求是：频率高，带宽宽，捷变时间快，稳定度高，相位噪声较好。因此采用直接模拟合成。其基本工作原理是：恒温晶体振荡器产生100MHz基准信号，分别产生步进为100MHz宽带C波段频标和步进为5MHz超宽带P波段频标，然后由P波段频标和C波段频标进行矩阵变频，步进为5MHz宽带C波段合成源，再对该合成源进行宽带2倍频，即获得步进为10MHz宽带为3GHz的X波段合成源，其原理框图如图1所示。

2.2 基准源

高性能频率合成器常用的基准源主要有，温补晶体振荡器、恒温晶体振荡器、原子钟等。其中恒温晶体振荡器频率稳定度较高、相位噪声性能优良、成本适中和可使用性好等特点被广泛使用。本宽带频率合成器选用恒温晶体振荡器作为基准参考源，其主要指标为：

（1）中心频率：100MHz。

（2）频率短期稳定度：10-11/ms。

（3）频率长期稳定度：10-7/日。

（4）相位噪声：-155dBc/Hz@1KHz。

2.3 100MHz步进C波段频标源

100MHz步进宽带C波段频标产生的方法主要有两种，第一种方法采用数字锁相合成方式，优点是杂散抑制比好，设备量小、成本低，缺点是变频时间相对较长，一般为几十us，不能满足系统要求；第二种方法采用谐波发生器结合开关滤波组件方式，优点是：频率捷变快，一般达ns级，相位噪声较好，缺点是设备量大，成本高，必须进行微型化集成。我们采用集成阶跃二极管倍频器加微型化开关滤波组件。此方案完全满足了系统的指标要求，同时实现宽带频率合成器的微型化设计。其原理框图如图2所示。

信号倍频后相位噪声恶化值为

（dB）

式中，输入频率，为倍频后频率，为电路引起的附加噪声。影响附加噪声的大小主要有100MHz功率放大器的噪声系数和谐波发生器的输入功率大小，当谐波发生器的输入功率为13dBm，此时附加噪声较小，但效率相对低些，工程中一般使谐波发生器的输入功率为20dBm。实验得该频标源附加噪声约5dB。

主要性能指标：

（1）频率范围：C波段。

（2）步进：100MHz。

（3）杂谱抑制：75dB。

（4）捷变时间：1us。

（5）输出功率：12dBm。

（6）功率起伏：5dB。

（7）相位噪声：-119dBc/Hz@1KHz。

2.4 超宽带P频标产生

低频频标频率为50～150MHz，步进5MHz。产生的方法有两种：倍频法和分频法。倍频法是对5MHz信号进行倍频，取50MHz～150MHz带内的谐波信号，由于该P频标带宽宽，为3个倍频程，倍频效率会极低，并且在相对带宽很宽的情况下幅度起伏会较大，因此不宜采用。分频法是对信号进行分频得到窄脉冲的周期信号，由于周期脉冲信号具有基波频率与之相同的辛格频谱特征，有丰富的频谱分量，通过滤波器选择就可以得到期望的宽带频谱。本方案中为获得频率间隔为5MHz，带宽覆盖到150MHz的宽带辛格频谱，我们采用先倍后分方法，产生周期为0.2us脉冲宽度为1/300us的窄脉冲信号，其辛格频谱3dB带宽为150MHz。

对于该宽带频谱进行开关滤波即可获得期望的P波段频标。由于频谱分量间隔较密，为5MHz，目前声表面波滤波器是最佳方案。开关滤波组件可采用两种方式，即：功分+滤波+开关方式，或开关+滤波+开关方式。第一种方式对开关要求较高，但捷变时间快，捷变时间主要取决于开关时间；第二种方式对开关要求较低，但捷变时间相对较慢，捷变时间主要取决于滤波器延时时间，而低频率的声表面波延时较大。本合成器对捷变时间无极其严格要求，因此综合优化我们采用了开关+滤波+开关方式，牺牲捷变时间以降低对开关要求，实验证明是成功的，提高了开关滤波组件的路路隔离性能同时降低了结构尺寸。相位噪声的估算，方案中分频器采用了锁相环内部的程控分频器，其1KHz噪声基低约为-150dBc/Hz，其谐波倍频的相噪恶化约3dB，因此P波段频标相位噪声约-120dBc/Hz.。

主要性能指标：

（1）频率范围：50～150MHz。

（2）步进：5MHz。

（3）杂谱抑制：70dB。

（4）捷变时间：3us。

（5）输出功率：-20dBm。

（6）功率起伏：8dB。

（7）相位噪声：-120dBc/Hz@1KHz。

2.5 宽带变频滤波

大步进C波段频标与小步进P波段频标进行矩阵式变频，并进行开关滤波，即可获得C波段小步进合成源。我们选用宽带双平衡混频器，同时控制混频器输入端信号电平，以减小交调分量，降低混频后带内、外杂散频谱电平，减小后级滤波器的设计压力。对变频后频率点进行分组滤波，而非常规的一对一滤波，在满足指标的情况下，减少滤波器的使用数量，优化开关滤波器组结构和性能。

第一级变频为辅助变频，提高C波段变频器输入频率，降低对后级滤波器的选择性要求。其中第1级开关滤波组件为3段，第2级开关滤波组件为3段。由于C波段变频器输入信号和本振信号为相干信号，而相噪近似相等，其输出相位噪声工程上可近似为恶化6dB。

主要性能指标：

（1）频率范围：4.65～5.75GHz。

（2）步进：5MHz。

（3）杂谱抑制：65dB。

（4）捷变时间：2us。

（5）输出功率：13dBm。

（3）功率起伏：±2dB。

（7）相位噪声：-112dBc/Hz@1KHz。

2.6 宽带倍频放大

对该5MHz步进C波段源进行2次倍频，即可实现10MHz步进X波段宽带源。宽带倍频单元主要完成3个功能，分别为：频率倍频，功率放大限幅实现宽带幅度高一致性，功率检测。

倍频器的相噪和杂谱恶化约6dB。因此倍频后该X波段合成器相位噪声约-106dBc/Hz@1KHz。

3 研制结果

该频率合成器兼顾了变频时间、相位噪声、杂散抑制以及体积重量，通过电路优化实现模块的微型化设计，其研制结果与设计值十分吻合，其实现主要指标为：

（1）频率范围：X波段。

（2）带宽：3GHz。

（3）频率最小步进：10MHz。

（4）捷变频时间：3μs。

（5）杂谱抑制：65dB。

（6）输出功率：10±2dBm。

（7）输出功率起伏：±1.5dB。

（8）相位噪声：-105dBc/Hz@1KHz。

（9）外形尺寸：290mm×262mm×65.5mm。

（10）重量：2.8Kg。

实测性能如图3所示：

该宽带合成器完成了高、低温存储，高、低温工作，振动、冲击及长时间开机工作等可靠性检测实验，性能稳定可靠。

4 结语

该频率合成器在X波段实现了大宽带、高分辨、低杂谱、优良相位噪声和3us快捷变时间等。其主要技术特点：微型化模拟直接合成，矩阵式高、低频标变频组合结合开关滤波实现快捷变。该频率合成技术是实现宽带、快捷变十分有效路径之一，具有典型的代表性。随着微波单片集成电路和现代滤波技术的发展，直接频率合成器的体积、重量可做得越来越小。宽带直接频率合成器在现代雷达和电子战中将得到广泛的应用。

参考文献

[1]白居宪.低噪声频率合成（M）.西安：西安交通大学出版社，1995.

[2]柴文乾.一种小型化低相噪S波段直接频率合成器（J）.雷达科学与技术，2005，（5）：306～309.

[3]费元春.固态倍频（M）.北京：高等教育出版社.1985.

[4]王家礼，孙璐.频率合成技术（M）.西安：西安电子科技大学出版社，2009.

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