楊 迎，張 杰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥230088）

0 引 言

頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的核心設(shè)備，其頻譜純度、精度、頻率分辨率和變頻時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)直接影響整個(gè)電子系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。目前，主要的頻率合成技術(shù)有直接模擬頻率合成、鎖相環(huán)（PLL）、直接數(shù)字合成（DDS）等3種方式。直接模擬頻率合成的顯著優(yōu)點(diǎn)是電路原理相對(duì)簡(jiǎn)單，跳頻時(shí)間短，相位噪聲特性好，缺點(diǎn)是功耗、成本、體積較大。PLL則是建立在相位負(fù)反饋的理論基礎(chǔ)之上，用鎖相環(huán)路鎖定壓控振蕩器（VCO），由VCO間接產(chǎn)生所需頻率，其優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度高、雜散抑制好、調(diào)試方便，但頻率轉(zhuǎn)換速度慢，且精細(xì)步進(jìn)會(huì)產(chǎn)生相噪的惡化。作為新一代的數(shù)字頻率合成技術(shù)，DDS具有變頻時(shí)間短、頻率分辨率高、相對(duì)帶寬寬、可編程、易于單片集成等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是由于D／A時(shí)鐘的限制，其最大輸出頻率較低。［1］采用單一的頻率合成技術(shù)目前難以達(dá)到高速高頻小型化頻率合成器的要求。為此，本文介紹了一種采用直接模擬頻率合成與DDS技術(shù)相結(jié)合的頻率合成方法，實(shí)現(xiàn)了一種S波段捷變頻頻率合成器，其頻率步進(jìn)為5 MHz，跳頻時(shí)間小于2μs，相位噪聲優(yōu)于－119 dBc／Hz＠1 kHz，并具有體積小以及輸出信號(hào)頻率、功率可調(diào)的特點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)要求

某系統(tǒng)對(duì)頻率合成器提出的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

可以看出，系統(tǒng)要求頻率合成器能實(shí)現(xiàn)S波段的兩種不同頻段信號(hào)輸出，要求其頻率捷變時(shí)間快，且對(duì)相位噪聲和雜散抑制指標(biāo)要求較高。

表1 頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)要求

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 基本實(shí)現(xiàn)原理

本次頻率合成器實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)路徑是采用高低頻標(biāo)進(jìn)行混頻濾波的方式產(chǎn)生系統(tǒng)所需的2.66～2.91 GHz／2.74～3.04 GHz信號(hào)。

若采用完全直接模擬頻率合成，雖然能滿足頻率捷變的特性，但其存在輸出頻點(diǎn)多時(shí)設(shè)備量大、濾波器頻點(diǎn)定制離散、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本無法統(tǒng)一、效率低下等缺點(diǎn)。為此，本次頻率合成器在設(shè)計(jì)時(shí)只有S波段高頻標(biāo)點(diǎn)源選擇由傳統(tǒng)的梳齒波發(fā)生器通過開關(guān)濾波產(chǎn)生，用以提供頻率粗調(diào)；而頻點(diǎn)較多的P波段低頻標(biāo)信號(hào)則采用了DDS技術(shù)，用以提供頻率精調(diào)。采用DDS實(shí)現(xiàn)小頻標(biāo)信號(hào)，可一定程度減少硬件設(shè)備量，有利于頻率合成器的小型化設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于DDS的可編程性，還可方便地實(shí)現(xiàn)頻帶變化，對(duì)于S波段內(nèi)的不同頻帶頻率輸出可直接通過修改軟件實(shí)現(xiàn)，避免了電訊的重復(fù)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。

DDS的頻率切換時(shí)間取決于頻率控制字的傳輸時(shí)間及以LPF為主的器件響應(yīng)時(shí)間，一般在納秒級(jí)。［2］故選用梳妝譜點(diǎn)源和DDS低頻信號(hào)相混頻的方式，也能實(shí)現(xiàn)捷變頻特性。

方案的原理實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。將梳狀譜產(chǎn)生的S波段高頻標(biāo)與DDS產(chǎn)生的P波段低頻標(biāo)信號(hào)進(jìn)行混頻處理，經(jīng)過多路開關(guān)濾波組件分時(shí)選取出對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)2 660～2 910 MHz（及2 740～3 040 MHz）的5 MHz間隔信號(hào)輸出，并在末級(jí)采用數(shù)控衰減放大以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的功率可調(diào)。

圖1 頻率合成器原理實(shí)現(xiàn)框圖

2.2 S波段高頻標(biāo)實(shí)現(xiàn)

S波段高頻標(biāo)的產(chǎn)生方法主要有兩種：一是采用數(shù)字鎖相方式，優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，雜散抑制好，但其變頻時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，相位噪聲也較差，不能滿足系統(tǒng)要求；二是采用諧波發(fā)生器結(jié)合開關(guān)濾波組件方式，優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，頻率捷變快，一般達(dá)納秒級(jí)，相位噪聲較好，但體積較大。為此，本次頻率合成器設(shè)計(jì)時(shí)將梳齒波發(fā)生器后的濾波器由傳統(tǒng)的聲表濾波器改進(jìn)為FBAR濾波器（體積更?。瑫r(shí)將梳齒波發(fā)生器與FBAR濾波器統(tǒng)一集成為模塊（點(diǎn)頻源），從而進(jìn)一步優(yōu)化了體積。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，S波段高頻標(biāo)FBAR點(diǎn)源以200 MHz為大步進(jìn)，分別產(chǎn)生2.4、2.6 GHz信號(hào)，并通過開關(guān)濾波組進(jìn)行切換。在實(shí)際工程應(yīng)用中，預(yù)留硬件可擴(kuò)充性，對(duì)梳齒波高頻標(biāo)點(diǎn)源的二選一實(shí)際選型為四選一開關(guān)濾波組，以備用頻寬擴(kuò)充之需，帶寬窄的時(shí)候另外兩路可閑置不用。此方案噪聲指標(biāo)優(yōu)異，集成度高，有利于頻率合成器的小型化設(shè)計(jì)。本次頻率合成器選取的恒溫晶振相位噪聲約為－155 dBc／Hz＠1 kHz，根據(jù)倍頻器的相位噪聲理論，倍頻后輸出信號(hào)的相位噪聲值為

式中，Li為輸入信號(hào)的單邊帶相位噪聲；N為倍頻次數(shù)；ΔL為電路的附加噪聲。［3］

通過電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使附加噪聲對(duì)相位噪聲的惡化控制在5 dB以內(nèi)。對(duì)S波段高頻標(biāo)點(diǎn)源，晶振信號(hào)的最大倍頻次數(shù)為26次，理論上惡化約28 dB，加上電路的附加噪聲，實(shí)際輸出S波段頻標(biāo)源的相位噪聲應(yīng)該優(yōu)于－122 dBc／Hz＠1 kHz。

2.3 P波段低頻標(biāo)實(shí)現(xiàn)

低頻標(biāo)頻率為260～455 MHz（及340～535 MHz），頻率步進(jìn)5 MHz。本次頻率合成器設(shè)計(jì)時(shí)采用全數(shù)字化的信號(hào)產(chǎn)生方式DDS來生成P波段低頻標(biāo)信號(hào)，其性能指標(biāo)如表2所示。

表2 DDS頻標(biāo)源的性能指標(biāo)

可以看出，DDS頻標(biāo)源在400 MHz輸出時(shí)相位噪聲典型值為－128 dBc／Hz＠1 kHz，其參考輸入頻率為4 GHz，這可由100 MHz晶振參考信號(hào)通過梳齒波發(fā)生器并由窄帶濾波器選取產(chǎn)生。該DDS頻標(biāo)源的最大輸出頻率為1 600 MHz，使用時(shí)可通過軟件設(shè)定其輸出頻率為260～455 MHz（及340～535 MHz），頻率步進(jìn)設(shè)為5 MHz。

2.4 S波段捷變頻頻率合成器的實(shí)現(xiàn)

S波段高頻標(biāo)在2.6 GHz輸出時(shí)偏移1 kHz處的相噪噪聲優(yōu)于－122 dBc／Hz。P波段低頻標(biāo)在400 MHz輸出時(shí)相位噪聲為－128 dBc／Hz＠1 kHz。根據(jù)混頻器的相位噪聲原理，當(dāng)兩路輸入信號(hào)相噪近似相等時(shí)輸出相噪惡化3 dB，而當(dāng)兩路輸入信號(hào)相噪相差較大時(shí)，輸出相噪主要取決于相噪較差的輸入信號(hào)。［4］故理論輸出信號(hào)相噪約為－122 dBc／Hz＠1 kHz，考慮到后級(jí)功率放大電路等附加噪聲影響，實(shí)際推導(dǎo)得到的輸出信號(hào)相噪指標(biāo)在1 kHz處應(yīng)該優(yōu)于－115 dBc／Hz。

3 研制結(jié)果

該頻率合成器兼顧了跳頻時(shí)間、相位噪聲、雜散抑制以及結(jié)構(gòu)體積，研制結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 S波段高頻標(biāo)FBAR點(diǎn)源的相位噪聲特性曲線

圖3 輸出2 740 MHz時(shí)的雜散抑制和相位噪聲特性曲線

圖4 頻率合成器研制實(shí)物圖

圖2為S波段FBAR點(diǎn)源的相位噪聲特性曲線。可以看出，2.4 GHz的相位噪聲實(shí)測(cè)為－125 dBc／Hz＠1 kHz，2.6 GHz的相位噪聲實(shí)測(cè)為－123 dBc／Hz＠1 kHz，與理論分析值基本相符。圖3為選取頻率合成器最高輸出頻點(diǎn)2 740 MHz，對(duì)其雜散抑制與相位噪聲特性進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果?？梢钥闯?，其雜散抑制大于69 dBc，相位噪聲優(yōu)于－119 dBc／Hz＠1 kHz。該頻率合成器信號(hào)的最大輸出功率為12 dBm，末級(jí)的數(shù)控衰減可實(shí)現(xiàn)0～7 dB衰減控制，從而實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)功率從5～12 dBm可調(diào)。通過軟件的靈活設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需頻率合成器的兩種不同頻帶信號(hào)輸出。圖4為頻率合成器的研制實(shí)物圖，其外形尺寸為175 mm?145 mm?25 mm，實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)。由上，本次研制的S波段捷變頻頻率合成器的所有技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文采用直接模擬頻率合成與DDS技術(shù)相結(jié)合的方案，實(shí)現(xiàn)了S波段高集成、低雜散、低相位噪聲的捷變頻頻率合成器設(shè)計(jì)，具有輸出信號(hào)的頻率、功率可調(diào)的特點(diǎn)。本次研制的頻率合成器其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足系統(tǒng)的要求，已成功應(yīng)用于某大型陣地雷達(dá)系統(tǒng)，工作穩(wěn)定可靠。