[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
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。
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。
图1 宽带合成器实现框图
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:
中心频率: 100MHz
频率短期稳定度:10-11/ms
频率长期稳定度:10-7/日
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。
图2 宽带C波段频标产生框图
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:
频率范围: C波段
步进: 100MHz
杂谱抑制: 75dB
捷变时间: 1us
输出功率: 12dBm
功率起伏: 5dB
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-120 dBc/Hz.。
主要性能指标:
频率范围: 50~150MHz
步进: 5MHz
杂谱抑制: 70dB
捷变时间: 3us
输出功率: -20dBm
功率起伏: 8dB
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:
频率范围: 4.65~5.75GHz
步进: 5MHz
杂谱抑制: 65dB
捷变时间: 2us
输出功率: 13dBm
功率起伏: ±2dB
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。
3.2 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:
频率范围: X波段
带宽: 3GHz
频率最小步进: 10MHz
捷变频时间: 3μs
杂谱抑制: 65dB
输出功率: 10±2dBm
输出功率起伏: ±1.5dB
相位噪声: -105dBc/Hz@1KHz
外形尺寸: 290mm×262mm×65.5mm
重量: 2.8 Kg
实测性能如图3所示
图3(a) 相位噪声曲线 图3(b)样机外形
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 结论
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
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