摘 要:頻率源是現(xiàn)代雷達(dá)電子系統(tǒng)的重要組成部分,在雷達(dá)、通信、儀表和導(dǎo)航領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。頻率源雜散性能是衡量頻率源品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo),雜散性能直接影響了雷達(dá)接收系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍及檢測(cè)能力。通過對(duì)頻率源雜散產(chǎn)生的機(jī)理、途徑進(jìn)行分析,總結(jié)出頻率源低雜散設(shè)計(jì)采取的技術(shù)途徑及實(shí)現(xiàn)措施,取得良好的實(shí)際工程應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞:頻率源;雜散;濾波器;混頻器

中圖分類號(hào):TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-040-02

Design of Low Spuriousious Frequency Source

MA Xiangfeng

(China Airborne Missile Academy,Luoyang,471009,China)

Abstract:Frequency source is an important component in the modern electronic system.It has popular application in the field such as radar,communication,measurement instruments and electronic navigation.The performance of spuriousious is a very important factor to measure the quality of frequency source,which should influence the dynamic range and detection capability of radar receiving system directly.The thesis analyses the way to generate spuriousious in the frequency source,and summarizes the technical ways and measures to design a low spuriousious frequency source,and acquires good engineering application effects.This work has very high reference value to the design of frequency source.

Keywords:frequency source;spurious;filter;mixer

雜散是頻率合成過程中產(chǎn)生的不需要的頻率分量,是衡量頻率源好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)。由于頻率合成通常利用非線性來(lái)產(chǎn)生所需的新頻率分量,在產(chǎn)生新頻率分量的過程中必然也會(huì)產(chǎn)生很多不需要的頻率分量,這些頻率分量經(jīng)濾波器等電路后往往不能被完全抑制。尤其是頻率合成過程中混頻器的使用將產(chǎn)生大量的交調(diào)、互調(diào)頻率分量,不合理的設(shè)計(jì)將使濾波器無(wú)法有效濾除交調(diào)、互調(diào)頻率分量,其泄漏到輸出端將形成豐富的雜散分量。本文通過對(duì)頻率合成過程中雜散產(chǎn)生的途徑及其抑制措施進(jìn)行分析,并通過實(shí)際工程應(yīng)用總結(jié)出實(shí)現(xiàn)頻率合成低雜散所采取的一些技術(shù)措施[1]。

1 頻率源雜散分析

頻率源雜散信號(hào)通過調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相形成,調(diào)制到輸出信號(hào)上產(chǎn)生雜散信號(hào),或者進(jìn)入混頻器產(chǎn)生各種交調(diào)、互調(diào)頻率分量,一般有以下三種途徑:

(1) 外部干擾在頻率合成過程中形成的寄生信號(hào);

(2) 頻率源內(nèi)部串?dāng)_產(chǎn)生的寄生信號(hào);

(3) 頻率合成過程中產(chǎn)生的新寄生信號(hào)[2]。

頻率源雜散性能差將使雷達(dá)接收系統(tǒng)性能大大降低,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致雷達(dá)接收系統(tǒng)無(wú)法工作。頻率源雜散對(duì)雷達(dá)接收系統(tǒng)影響如下:

(1) 雜散與頻率源本振信號(hào)自混頻,產(chǎn)生虛假信號(hào);

(2) 頻率源雜散信號(hào)與強(qiáng)接收信號(hào)產(chǎn)生“倒易混頻”,形成接收機(jī)的虛假干擾信號(hào);

(3) 頻率源雜散對(duì)雷達(dá)接收系統(tǒng)的選擇性、動(dòng)態(tài)范圍及檢測(cè)能力均有一定的影響[3]。

2 頻率源低雜散設(shè)計(jì)

頻率源設(shè)計(jì)過程中需根據(jù)頻率源技術(shù)要求制定頻率源初步方案、頻率源的結(jié)構(gòu)形式、功能模塊劃分及電磁兼容等,同時(shí)應(yīng)進(jìn)行頻率設(shè)計(jì)、畫出頻率合成圖,嚴(yán)格計(jì)算每一個(gè)頻率合成過程的交互調(diào)分量是否滿足要求,若不合適需進(jìn)行調(diào)整。在頻率合成方案頻率設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行信號(hào)通道之間的隔離設(shè)計(jì),同時(shí)驗(yàn)證模塊劃分是否合理,必要時(shí)進(jìn)行功能模塊調(diào)整。并初步計(jì)算雜散指標(biāo),若不滿足指標(biāo)要求則應(yīng)調(diào)整修正信號(hào)之間的隔離設(shè)計(jì)[4]。

頻率源低雜散設(shè)計(jì)過程中應(yīng)著重關(guān)注混頻比設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)、隔離設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì),以期得到所需的最佳低雜散信號(hào)輸出。

2.1 混頻比設(shè)計(jì)

頻率合成過程中混頻器的設(shè)計(jì)非常重要,一般應(yīng)選擇高隔離度、高三階交調(diào)的混頻器,目前較好的高隔離度雙平衡混頻器在頻率低端能達(dá)到50～60 dB的隔離。混頻過程中將會(huì)產(chǎn)生大量的交調(diào)、互調(diào)分量,在選擇好的混頻器基礎(chǔ)上混頻比設(shè)計(jì)顯得尤為重要。若混頻器的輸入頻率為f1和f2,則混頻器輸出頻率為±m(xù)f1±nf2,m,n為正整數(shù),而有用頻率為f1+f2或f1-f2,所以正確選擇工作頻率使交調(diào)、互調(diào)頻率遠(yuǎn)離有用頻率,使濾波器能較容易地濾除交調(diào)、互調(diào)頻率信號(hào),減小雜散輸出?？紤]到濾波器性能的限制,一般混頻比最佳選取范圍是0.05～0.12或0.85～0.95。同時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小混頻器輸入信號(hào)幅度、使其遠(yuǎn)離混頻器三階交調(diào)截止點(diǎn),可以顯著降低三階及高階交調(diào)產(chǎn)生的雜散[5]。

2.2 濾波器設(shè)計(jì)

頻率源設(shè)計(jì)中通常需要使用窄帶、高帶外抑制的濾波器,其帶外抑制常常要求70 dB以上,以盡量抑制無(wú)用頻率分量。信號(hào)頻率在2 GHz以下通常選用集總參數(shù)的LC濾波器,具有體積小、價(jià)格低的特點(diǎn);信號(hào)頻率在2 GHz以上通常選用腔體濾波器,具有帶寬窄的特點(diǎn),但其體積較大、價(jià)格較高。在電路設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)配合使用微帶濾波器、介質(zhì)濾波器及晶體濾波器等,以提高頻率源的雜散抑制[6]。

信號(hào)傳輸中若出現(xiàn)不匹配將產(chǎn)生反射,反射信號(hào)會(huì)形成雜散干擾。濾波器前后的不匹配會(huì)大大降低濾波器性能,混頻器輸入、輸出不匹配也會(huì)降低混頻器的性能指標(biāo),因此電路中的匹配對(duì)降低雜散也非常重要。在頻率源設(shè)計(jì)中濾波器常常與混頻器、諧波發(fā)生器、倍頻器及分頻器等相連,這些電路都包含豐富的頻率分量,而帶通濾波器的輸入、輸出阻抗為50 Ω是指帶內(nèi)阻抗,帶外阻抗不一定為50 Ω,濾波器在電路中對(duì)帶外信號(hào)的反射可能會(huì)很大,導(dǎo)致與其相連的前后級(jí)電路性能變壞、同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致濾波器自身性能變壞,因此濾波器使用時(shí)應(yīng)注意與前后級(jí)電路之間的匹配,需在濾波器與其前后級(jí)電路之間加隔離措施。最簡(jiǎn)單有效的隔離措施是加寬帶衰減匹配,即在電路與濾波器之間加一個(gè)50 Ω電阻衰減器,一般為2～3 dB即可。該衰減器作用有兩個(gè),一方面起到寬帶匹配的作用,另一方面對(duì)濾波器前后級(jí)電路起到隔離衰減的作用[7]。

2.3 隔離設(shè)計(jì)

由于很多雜散來(lái)源于空間信號(hào)耦合及反向信號(hào)通道,僅選擇好的濾波器不一定就能獲得輸出雜散低的效果。尤其是要求雜散抑制到70 dB以上,不同頻率信號(hào)之間通道隔離好壞是雜散指標(biāo)能否達(dá)到要求的關(guān)鍵。在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為了滿足輸出雜散指標(biāo)要求,一方面需在不同頻率信號(hào)通道間采用腔體隔離、濾波等措施提高通道隔離;另一方面亦需提高反向信號(hào)通道隔離,可采用加隔離器、定向耦合器及加衰減器再放大等方法。從信號(hào)隔離的角度來(lái)看,用定向耦合器再放大耦合信號(hào)比采用功分器好;從減小體積重量方面考慮,用π型電阻網(wǎng)絡(luò)衰減再放大信號(hào)比用磁性隔離器要好[8]。隔離設(shè)計(jì)總結(jié)為以下四個(gè)方面:

(1) 信號(hào)傳輸隔離:對(duì)微波信號(hào)加隔離器,通過使用定向耦合器、濾波器等實(shí)現(xiàn),對(duì)數(shù)字信號(hào)加驅(qū)動(dòng)器、隔離門、加射隨器及采取良好的匹配設(shè)計(jì)等;

(2) 信號(hào)反向隔離:反向串?dāng)_是頻率源形成雜散的主要原因,尤其是數(shù)字電路、混頻器等反向干擾非常嚴(yán)重,通常采取加隔離器、定向耦合器、衰減放大隔離等措施;

(3) 信號(hào)通道間隔離:信號(hào)通道間主要采取不同電路模塊化設(shè)計(jì)、并加強(qiáng)屏蔽、合理走線,以提高信號(hào)通道間隔離度;

(4) 數(shù)字電路與模擬電路間隔離:采取合理設(shè)計(jì)地線、電源饋線等,數(shù)字電路與模擬電路盡量不要共用電源、更不能共地,數(shù)字信號(hào)線與模擬信號(hào)線不能交匝在一起等措施[9]。

2.4 電磁兼容設(shè)計(jì)

屏蔽措施對(duì)降低雜散也很有效。由于信號(hào)可通過地電流的耦合、地線串繞和電源線之間的耦合及電源內(nèi)阻等途徑相互串繞、形成雜散信號(hào),要進(jìn)一步降低輸出雜散,必須進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。電磁兼容可采用加強(qiáng)濾波、屏蔽,科學(xué)接地、合理布線、正確饋電等措施。電路系統(tǒng)中通常采用屏蔽措施或者用吸波材料降低空間干擾以降低雜散。但傳輸信號(hào)電纜輻射往往被設(shè)計(jì)人員所忽視,一般電纜的屏蔽效果只有60 dB左右,所以在低雜散設(shè)計(jì)和低雜散測(cè)量中絕對(duì)不能忽視。在要求70 dB以上雜散抑制時(shí),必須選用頻率效果更好的電纜,并認(rèn)真分析電纜線束的分布和走向等問題[10]。

綜上所述,實(shí)現(xiàn)頻率源低雜散設(shè)計(jì)中不僅要求頻率源系統(tǒng)方案合理,還必須注意混頻器混頻比的合理分配;并進(jìn)行濾波器指標(biāo)的合理分配、濾波電路的合理設(shè)計(jì);信號(hào)間的高隔離,特別需重視反串信號(hào)的抑制;要進(jìn)行電路電磁兼容方面的合理設(shè)計(jì),電源濾波、接地合理、信號(hào)匹配、屏蔽良好,才能最終實(shí)現(xiàn)頻率源低雜散信號(hào)。

3 結(jié) 語(yǔ)

在現(xiàn)代雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、空間電子技術(shù)及儀器儀表等電子系統(tǒng)中,頻率源雜散性能的好壞直接決定了頻率源性能指標(biāo),本文通過對(duì)頻率源雜散產(chǎn)生途徑進(jìn)行分析,總結(jié)了實(shí)際工程應(yīng)用中頻率源低雜散設(shè)計(jì)采取的經(jīng)驗(yàn)措施,以實(shí)現(xiàn)頻率源低雜散指標(biāo)。本項(xiàng)工作對(duì)于頻率源低雜散工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]房治國(guó).低噪聲低雜散微波捷變頻率源研究[D].成都:電子科技大學(xué),2004.

[2]溫國(guó)誼.頻率合成源的分析與實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008.

[3]白居憲.低噪聲頻率合成[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1995.

[4]陶煥磊.微波毫米波頻率綜合器的研制[D].成都:電子科技大學(xué),2003.

[5]郭俊棟.L波段數(shù)字鎖相頻率合成器設(shè)計(jì)[D].北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院,2008.

[6]李軍.X波段微波倍頻器的研制與一種頻率源的設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2004.

[7]任威.Ka波段高性能頻率綜合器的設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2007.

[8]呂鵬.Ka波段毫米波頻綜合器的設(shè)計(jì)[D].南京:南京理工大學(xué),2008.

[9]周麗.高分辨低雜散頻率合成器的研制[D].成都:電子科技大學(xué),2005.

[10]Rohde U L.微波和無(wú)線頻率綜合器[D].南京:信息產(chǎn)業(yè)部電子第14研究所,2000.

作者簡(jiǎn)介 馬向峰 男,1976年出生,河南洛陽(yáng)人,工程師。研究方向?yàn)槲⒉娐吩O(shè)計(jì)。