王立生

(成都天奧電子股份有限公司,成都 611731)

一種新穎的星載寬帶頻率源設計

王立生

(成都天奧電子股份有限公司,成都 611731)

針對應用于復雜空間環(huán)境的寬帶接收機的需求,提出了一種新穎的頻率源設計方案。采用鎖相環(huán)(PLL)和倍頻電路實現(xiàn)寬帶頻綜,采用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)實現(xiàn)窄帶細步進頻綜。給出了頻率源的詳細設計思路、實現(xiàn)方法及可靠性設計的相關內容,實測結果表明所設計的頻率源各項指標均滿足要求。

寬帶接收機;星載頻率源;PLL;DDS;可靠性設計

1 引 言

頻率源作為接收機中的關鍵設備,提供系統(tǒng)所需高質量的本振信號,其電性能指標和可靠性對系統(tǒng)有著重要影響。一種工作于空間環(huán)境的星載寬帶接收機,采用三次變頻方案實現(xiàn),則頻率源包含了寬帶大步進頻率源、點頻本振源和窄帶細步進頻率源3個本振源[1]。

由于應用于特殊工作環(huán)境,頻率源的設計在滿足系統(tǒng)電性能技術指標的前提下,應重點考慮以下3個方面:立足現(xiàn)有水平,采用成熟技術和電路,壓縮元器件種類和品種,保證設計的可靠性和繼承性;采用最簡方案設計,不一味追求高指標,盡量簡化電路,降低系統(tǒng)的復雜度;采用備份設計,通過冗余電路降低設備失效率。

本文闡述了一種根據(jù)上述思路設計的頻率源,給出了頻率源內部組成、詳細設計實現(xiàn)方案、主要指標分析及可靠性設計等內容,并給出了主要測試結果。

2 頻率源的實現(xiàn)

頻率源中包含的本振數(shù)量取決于接收機的變頻次數(shù),本系統(tǒng)中的寬帶接收機的工作頻率范圍為L～C頻段,頻率步進10 kHz,采用三次變頻方案,則頻率源的內部組成包括一本振寬帶頻綜、二本振點頻源、三本振窄帶細步進頻綜,還包含了晶振參考鏈路、遙測指示電路和二次電源。為了實現(xiàn)寬頻帶接收能力和頻率細步進掃描功能,采用寬帶大步進頻綜和窄帶細步進頻綜相結合的設計方案,一本振寬帶頻綜采用大步進頻率,降低設計難度,三本振窄帶頻綜實現(xiàn)細步進功能,設計一本振的步進頻率為三本振的信號帶寬,通過一、三本振的配合掃描實現(xiàn)接收機全頻段寬帶細步進跳頻功能。

為滿足系統(tǒng)可靠性指標要求,需要對頻率源進行備份設計。為減少系統(tǒng)功耗,降低設備之間的干擾,采用冷備份方案,主備電路分時交叉工作,通過切換主備份設備電源的方式實現(xiàn)主備切換功能。備份方式為交叉?zhèn)浞莺鸵灰粋浞莸慕M合方案,頻率源內置溫補晶振采用交叉?zhèn)浞莘绞?各頻率源采用一一備份方式,即晶振與頻率源間有4種備份組合方式:晶振(主)-頻率源(主)、晶振(主)-頻率源(備)、晶振(備)-頻率源(主)、晶振(備)-頻率源(備),而頻率源與接收機有兩種備份方式:頻率源(主)-接收機(主)、頻率源(備)-接收機(備)。頻率源主備管理方案如圖1所示。

圖1 頻率源主備管理方案Fig.1 The primary and backup system of the frequency synthesizer

頻率源一本振工作于X頻段,信號帶寬5 GHz,頻率步進8 MHz。方案采用了單環(huán)PLL和直接二倍頻結合的方式,利用倍頻器有效降低信號輸出頻率,壓縮信號帶寬,使得采用PLL單環(huán)電路能夠實現(xiàn),在滿足電性能指標的前提下最大限度地簡化了電路,降低了系統(tǒng)復雜度。二本振為X頻段點頻源,采用單環(huán)PLL即可實現(xiàn)。一、二本振在具體電路設計上,由于受到能夠應用于空間環(huán)境的鑒相器的射頻工作頻率所限,在PLL環(huán)路反饋端使用了固定四分頻器,目的是降低進入鑒相器的反饋射頻信號的工作頻率。三本振為窄帶細步進頻率源,帶寬8 MHz,頻率步進10 kHz。若采用整數(shù)PLL實現(xiàn),為了實現(xiàn)細步進跳頻,鑒相頻率只能做到10 kHz,則環(huán)路分頻比會非常大,造成相噪和雜散指標都不能滿足要求;而如果采用小數(shù)PLL實現(xiàn),雖然降低了分頻比,可以獲得比較良好的相噪指標,但由于小數(shù)PLL自身的固有機理,在某些頻點上存在的近端尾數(shù)調制雜散無法滿足指標要求。因此,最終方案選擇采用DDS直接頻率合成方式,參考信號在DDS內部倍頻作為時鐘,DDS直接輸出三本振頻率,經過窄帶濾波、放大后輸出。頻率源方案框圖如圖2所示。

圖2 頻率源方案框圖Fig.2 Block diagram of the frequency synthesizer

頻率源采用溫補晶振作為內部參考源。與恒溫晶振相比,雖然溫補晶振在相位噪聲、溫度穩(wěn)定度和老化率等指標上處于劣勢,但是基于本項目的實際應用環(huán)境,系統(tǒng)更看重的是對功耗、尺寸和開機穩(wěn)定時間的要求,而不是一味追求高性能指標,因此本項目的參考源選用溫補晶振更為適合。溫補晶振不僅給各頻率源提供輸入?yún)⒖夹盘?還作為時鐘信號提供給接收機監(jiān)控模塊使用。

頻率源中的電源設計全部采用了二次穩(wěn)壓處理,接收機電源模塊提供給頻率源+5 V、+15 V和+24 V 3組電源,在頻率源內部進行二次穩(wěn)壓,得到+3.3 V、+4.7 V、+12V和+22V 4組電源。二次穩(wěn)壓電路不僅可以得到電壓穩(wěn)定且相對純凈的直流電源,而且為整機一級電源和各模塊二級電源之間提供了有效隔離。二次電源的選擇,在滿足能夠應用與空間環(huán)境的前提下,應重點考慮具有足夠的降額因子、低壓差應用條件、低噪聲和高抑制比。

遙測電路是航天電子設備中的一個重要組成部分。頻率源內包含了5個主要的遙測點,即一、二、三本振正常,異常遙測指示電平、參考信號正常,以及異常遙測指示電平和模塊內部溫度監(jiān)測。一、二本振由鎖相環(huán)實現(xiàn),遙測信號可以由PLL器件的鎖定指示信號得到:該PLL器件的鎖定指示管腳在鎖定時呈現(xiàn)高阻態(tài),失鎖時呈現(xiàn)低阻態(tài),通過外部上拉電平即可得到鎖定和失鎖狀態(tài)下的高低電平指示,再將此經過一個三極管驅動電路后,提供給接收機監(jiān)控模塊作為遙測指示電平。三極管驅動電路有兩個作用,一方面是提供了更大的驅動能力,另一方面實現(xiàn)了頻率源模塊和監(jiān)控模塊間的電氣隔離,避免PLL器件管腳直接對外輸出,從而提高電路的安全性。三本振和參考信號的遙測指示電平,是對信號耦合后采用二極管檢波電路產生的檢波電壓送入比較器,與基準電壓比較得到,當有信號時檢波電壓高于基準電壓,得到遙測高電平輸出,反之則為低電平。頻率源內置模擬溫度傳感器,采集設備內的溫度轉換為模擬電壓量,送給監(jiān)控單元實時監(jiān)測溫度。

3 主要指標的分析

3.1 相位噪聲

數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成器在鎖定狀態(tài)下可以認為是線性系統(tǒng),圖3為鎖相環(huán)附加噪聲源的系統(tǒng)框圖[2]。

圖3 鎖相環(huán)附加噪聲源的系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of the noise in PLL

應用線性疊加原理,將各噪聲源反映到頻率綜合器輸出端的相位噪聲功率譜密度相加,則可得到總的相位噪聲功率譜密度

式中 ,Sr(f)、SPD(f)、SLP(f)、SVCO(f)、So(f)分別為參考晶振、鑒相器、環(huán)路濾波器、VCO、頻綜器輸出的相位噪聲,H(j2πF)為環(huán)路的有效傳輸函數(shù),N為射頻信號分頻比,R為參考分頻比。式中右邊第一項為環(huán)路的低通輸出相位噪聲譜,第二項為環(huán)路的高通輸出相位噪聲譜。

參考信號的相位噪聲對輸出信號相噪的貢獻計算如下:

式中,Lr(f)為晶振的相位噪聲。

鑒相器的基底相噪對輸出信號相噪的貢獻計算如下:

式中,LPD(f)為鑒相器的基底相噪,Fc為鑒相頻率。

因此,在環(huán)路帶內輸出信號的相位噪聲L(f)可由下式得到:

基于以上公式,即可計算出頻率源1和頻率源2的帶內相位噪聲,帶外噪聲則主要取決于VCO自身的相噪水平。

3.2 雜散

本頻率源的雜散主要來自兩部分,PLL的鑒相頻率泄漏和DDS的固有雜散。

抑制PLL的鑒相頻率雜散的有效方法是壓縮PLL環(huán)路濾波器的帶寬,使得鑒相頻率雜散落在環(huán)路帶外,利用PLL自身的低通特性濾除。但是,如果一味降低環(huán)路帶寬,會帶來近載頻相位噪聲的惡化以及跳頻時間的增大,因此環(huán)路帶寬的設計需要綜合各指標設計,尋求一個最佳值。頻率源1的鑒相頻率為1 MHz,為了滿足相位噪聲和跳頻時間的指標,環(huán)路帶寬設計在40～70 kHz,但是對1 MHz鑒相頻率的抑制則不能滿足要求。因此,在環(huán)路濾波器上增加了一LC陷波器電路,設計其諧振頻率等于鑒相頻率1 MHz,可以有效抑制鑒相頻率泄漏。但是陷波器的引入會減小PLL的相位裕量,可能造成環(huán)路的不穩(wěn)定性增大,需要精心設計電路參數(shù),在仿真時將陷波器加入環(huán)路濾波器中,確保相位裕量大于45°,保證電路的穩(wěn)定性。

DDS器件的雜散主要產生于3個因素:相位截斷誤差、幅度量化誤差和DAC的非線性[3]。在本方案中,為了盡量簡化電路,DDS的時鐘信號是由DDS內部的倍頻器產生,與采用外時鐘的方案相比,此方案的DDS輸出信號遠端雜散分量豐富,抑制度差。之所以選擇此方案,在于頻率源3的輸出信號頻率低、帶寬窄,通過合理規(guī)劃DDS時鐘倍頻次數(shù)和輸出頻率,能夠使雜散頻率成分落在信號帶外,采用窄帶帶通濾波器可有效抑制雜散。雖然此方案的雜散水平仍不如采用外時鐘的方案,但是利用DDS內部的時鐘倍頻器可以節(jié)省一個時鐘產生電路,大幅度降低系統(tǒng)復雜度,提高可靠性,實為本項目最佳方案。

4 可靠性設計

為了能夠在空間環(huán)境中長期可靠工作,航天電子設備的可靠性設計是一個重要內容,包括元器件降額設計、熱設計、抗輻照設計、電磁兼容設計、靜電防護設計、抗力學環(huán)境設計、容差設計等。限于篇幅,本文僅對頻率源的熱設計和抗輻照設計進行簡單介紹。

在真空環(huán)境下,只有熱傳導和熱輻射兩種散熱途徑,且傳導散熱比輻射散熱更為顯著有效。因此熱設計著重以導熱的觀點出發(fā),使電路中的熱量盡可能以最短路線傳遞:將功耗大的元器件分散安裝,均勻傳導散熱;選用高導熱系數(shù)材料;減小接觸面之間的接觸熱阻[4]。頻率源中功耗較大的器件主要為DDS和微波分頻器,設計PCB時器件底部焊盤大面積鋪銅接地并與元器件散熱面焊接,在PCB接地焊盤過孔內填充導熱銅柱,加強熱傳導效率。PCB安裝面與盒體大面積接地,并在接觸面墊一層純銦箔,提高接觸面的平整度和光潔度,最大限度降低傳導熱阻。

空間輻射對電子元器件的影響主要包括電離總劑量效應和單粒子效應兩類,單粒子效應又包括單粒子翻轉(SEU)、單粒子鎖定(SEL)等多種類型[5]。航天產品的抗輻照設計選用具有高抗電離總劑量能力和抗單粒子效應加固的器件,可以從根本上大幅提高設備抗輻照能力。但是基于現(xiàn)實情況,受限于購買途徑、工程進度要求、研制成本等因素,不可能實現(xiàn)產品全部器件具有抗輻照能力,需要采取進一步的設計措施。例如針對CMOS器件單粒子鎖定(SEL)效應,采取電源端限流措施是有效辦法,因為CMOS器件產生鎖定需要一定的維持電流,限流可在一定程度上防止鎖定或在鎖定產生后不能維持而解除。限流方式可采用器件電源端增加限流電阻的方法,或對PCB設計劃分電路模塊分區(qū)使用限流電阻。

5 測試結果和結論

運用本文方案設計的頻率源產品實測結果如下:寬帶頻率源信號帶寬優(yōu)于5GHz,頻率步進8 MHz,窄帶細步進頻率源帶寬8 MHz,頻率步進10 kHz;相位噪聲典型值 -75 dBc/Hz@10 kHz、-80 dBc/Hz@100 kHz,雜散抑制優(yōu)于60 dBc,諧波抑制優(yōu)于40 dBc。各項指標均滿足要求,通過了各項可靠性試驗考核。

本文介紹了一種應用于空間環(huán)境寬帶接收機中的頻率源,給出了設計思路、具體實施方案和主要技術指標分析,并對可靠性設計進行了描述。應用本文方案設計的頻率源產品,已成功應用在工程型號項目,在軌運行良好。本項目的成功設計實現(xiàn),對今后各類星載微波頻率源產品具有良好的借鑒意義。今后努力的方向是在提高頻率源輸出頻率和帶寬的同時,實現(xiàn)盡可能低的相位噪聲和雜散水平。

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WANG Li-sheng was born in Chengdu,Sichuan Province,in 1981.He received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2003.He is now an engineer.His research concerns microwave frequency source.

Email:cddwls@126.com

Design of a Novel Satellite-borne Wideband Frequency Synthesizer

WANG Li-sheng
(Chengdu Spaceon Electronics Co.,Ltd.,Chengdu 611731,China)

A novel frequency synthesizer is presented for the demand of wideband receiver applied in the complex space environment.PLL(Phase-Locked Loop)and frequency doubling circuits are used to achieve wideband frequency synthesizer,and DDS(Direct Digital Synthesis)is used to realize fine step hopping frequency synthesizer.The design scheme,realization method and the reliability design are introduced in detail.The test result shows the specification of the developed synthesizer meets the requirements.

wideband receiver;satellite-borne frequency synthesizer;PLL;DDS;reliability design

TN74

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.031

1001-893X(2012)06-0984-04

2012-03-27;

2012-05-10

王立生(1981—),男,四川成都人,2003年于電子科技大學獲工學學士學位,現(xiàn)為工程師,主要從事微波頻率源的研發(fā)設計工作。