X波段間接式頻率綜合器的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　頻率源是所有電子系統(tǒng)(雷達(dá)、通訊、測(cè)控、導(dǎo)航等)的基本信號(hào)來(lái)源，其主要包括固定頻率源和合成頻率源兩類(lèi)。其中合成頻率源又稱(chēng)頻率合成(綜合)器，按其構(gòu)成方式可分為直接式和間接式。采用鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)的間接頻率合成器目前應(yīng)用最為廣泛。直接模擬頻率合成器(DAS)采用倍頻器、分頻器、混頻器及微波開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率合成，具有最優(yōu)的近端相位噪聲和高速捷變頻特性，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴的特點(diǎn)限制其只能應(yīng)用于雷達(dá)等高端領(lǐng)域。直接數(shù)字合成器(DDS)目前也得到了廣泛應(yīng)用，但高性能DDS產(chǎn)品的輸出頻率還有待提高，在微波領(lǐng)域其往往與鎖相技術(shù)結(jié)合以混合方式實(shí)現(xiàn)微波頻率合成。鎖相技術(shù)與直接式倍頻器或DDS相結(jié)合的混合式頻率合成器在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)降低了DAS合成方式的成本，已逐漸取代部分DAS合成頻率源應(yīng)用在高性能頻率源領(lǐng)域。

　　2 主要功能、技術(shù)指標(biāo)和方案分析

　　2.1 主要功能及技術(shù)指標(biāo)

　　根據(jù)技術(shù)要求，該頻綜器的輸出信號(hào)包括一本振、主振等五路輸出信號(hào);二本振、主振信號(hào)分別為L(zhǎng)波段、X波段的寬帶捷變頻輸出，一本振信號(hào)為X波段的固定頻率輸出，另一路為15MHz固定頻率TTL電平輸出，并具有主振輸出預(yù)調(diào)制、BPSK等功能，所有輸出頻率共用一個(gè)恒溫晶體振蕩器作為參考源，以確保各路輸出頻率相參。主振信號(hào)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

　　輸出頻率：X波段(帶寬大于200MHz)

　　頻率間隔：15MHz

　　輸出功率：10dBm±1dB

　　跳頻時(shí)間：≤50μs

　　雜波抑制：≤-70dBc

　　相噪(dBc/Hz)：-95 @1kHz -100 @10kHz

　　-100 @10kHz -125 @1MHz

　　2.2 方案分析

　　由于系統(tǒng)對(duì)頻綜器的相位噪聲指標(biāo)要求比較高，所以針對(duì)固定輸出或內(nèi)部使用的頻率點(diǎn)，我們采用DAS技術(shù)，通過(guò)分頻、倍頻、混頻、濾波、放大等方式，得到所需要的輸出頻率。針對(duì)捷變頻輸出，因?yàn)橄辔辉肼曋笜?biāo)要求比較高，輸出頻率點(diǎn)較多，達(dá)12個(gè)頻率點(diǎn)，而跳頻時(shí)間要求≤50μs，所以采用單環(huán)PLL技術(shù)，先得到二本振(LO2)信號(hào)，再?gòu)亩菊耨詈弦宦份敵雠c微波基準(zhǔn)(PDRO)混頻，將輸出頻率搬移到高頻頻段上，即可得到主振信號(hào)，這樣做可保持相噪最佳，以保證二本振和主振信號(hào)的相位噪聲和跳頻時(shí)間指標(biāo)。通過(guò)設(shè)計(jì)小體積的濾波器、微封裝的放大器、開(kāi)關(guān)等，合理地選擇頻率，配置功率電平，可充分發(fā)揮DAS低相噪和PLL捷變頻的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠滿(mǎn)足雜波抑制等技術(shù)指標(biāo)的要求。

　　(a)模塊劃分

　　(b)總體框圖

　　圖1 X波段頻率綜合器組成框圖

　　通過(guò)以上分析，我們將頻綜器分成兩個(gè)模塊，其組成框圖如圖1所示。中頻源模塊通過(guò)分頻、倍頻、鎖相、濾波、放大等相應(yīng)處理，產(chǎn)生100MHz、240MHz、300MHz和LO2信號(hào);微波源模塊主要是利用中頻源模塊產(chǎn)生的100MHz、240MHz、300MHz和LO2信號(hào)，通過(guò)混頻、鎖相、濾波、放大等相應(yīng)處理，得到主振 (FT)等信號(hào)。

　　(1)相位噪聲特性分析

　　對(duì)于恒溫晶振，考慮到各路信號(hào)的頻率穩(wěn)定度、相位噪聲要求以及15MHz輸出精度為±100Hz，我們選用的恒溫晶振的相位噪聲為￡(1kHz)=-150dBc/Hz，設(shè)定頻率精度為±0.5 ppm，溫度穩(wěn)定度為±0.5ppm，可以滿(mǎn)足要求。

　　由于分頻器存在基底相噪，為-140dBc/Hz@lkHz，考慮到12倍頻對(duì)相噪的惡化，5、16分頻對(duì)相噪的改善，則-150+20lg12-20lg(5×16)優(yōu)于分頻器的基底相噪，則15MHz信號(hào)的相噪應(yīng)為￡(1kHz)=-140dBc/Hz左右，240MHz的相噪優(yōu)于-130dBc/Hz@lkHz是容易保證的。同理，在300MHz合成源中，對(duì)晶振信號(hào)的倍頻次數(shù)為3，則300MHz信號(hào)的相噪優(yōu)于-150+20lg3=-140dBc/Hz@lkHz。

　　因15MHz的相位噪聲為￡(1kHz)=-140dBc/Hz，而PLL中鑒相器ADF4106的相噪基底約為-146dBc/Hz@1kHz，PLL的分頻比為N<80，所以L(fǎng)O2的相噪優(yōu)于￡(1kHz)=-140+20lg80=-102dBc/Hz。

　　因240MHz的相位噪聲優(yōu)于-130dBc/Hz@1kHz，且PDRO對(duì)晶振信號(hào)的倍頻次數(shù)<100，則它的相噪至少可達(dá)到-150+(20lg100+3)=-107dBc/Hz@1kHz，經(jīng)過(guò)一級(jí)混頻后，考慮到混頻環(huán)節(jié)對(duì)相位噪聲的影響，則LO1的相位噪聲優(yōu)于￡(1KHz)=-107+3=-104dBc/Hz，可以滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)的要求。

　　同樣地，經(jīng)過(guò)兩級(jí)混頻后，考慮到混頻環(huán)節(jié)對(duì)相位噪聲的影響，則主振信號(hào)的相位噪聲優(yōu)于￡(1KHz)=-102+3=-99dBc/Hz，可以滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)的要求。