（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所 揚(yáng)州 225001）

1 引言

頻率源被譽(yù)為無線電系統(tǒng)的心臟，其性能的優(yōu)劣直接影響到整機(jī)的性能。隨著毫米波無線電通信、雷達(dá)、電子對抗等系統(tǒng)迅猛發(fā)展，對于頻率合成源也提出了越來越高的要求［1］。

本文設(shè)計(jì)了一款低相噪多路輸出毫米波頻率源，為某毫米波測速雷達(dá)系統(tǒng)提供本振信號(hào)，其主要指標(biāo)如下：1）四路固定頻點(diǎn)輸出：29.8GHz、30.8GHz、31.8GHz、32.8GHz；2）輸出功率 ≥ 10dBm；3）雜散 ≤ -55dBc；4）輸出相噪 ≤ -100dBc/Hz@1kHz（參考頻率 100MHz，相噪為-155dBc/Hz@1kHz）；5）尺寸為145mm×110mm×18mm。

該頻率源的難點(diǎn)主要在于：1）低相位噪聲輸出；2）尺寸小通道多，射頻走線存在交叉。國內(nèi)現(xiàn)有低相噪頻率源大多采用倍頻器（尺寸大）或者PDRO（功耗大、電壓高）來實(shí)現(xiàn)，且貨架產(chǎn)品中極少有毫米波源。直接采用四個(gè)倍頻器/PDRO組成多通道毫米波源，會(huì)帶來體積大、功耗大、成本高、信號(hào)串?dāng)_嚴(yán)重等問題。因此，研制低相噪小型化的多路輸出毫米波頻率源產(chǎn)品具有很重要的工程實(shí)用價(jià)值。

2 頻率源原理方案

從形成理論到發(fā)展至今，頻率合成技術(shù)可以分為以下四種：直接模擬合成（DAS）、間接合成（PLL）、直接數(shù)字合成（DDS）、混合頻率合成。對于本文所設(shè)計(jì)的頻率源，相位噪聲是非常重要的指標(biāo)，以下是幾種情況下相噪的計(jì)算方法［2～3］。

理想倍頻器的輸出相噪可表示為［4］

其中，Lout為輸出信號(hào)相位噪聲，Lref為輸入?yún)⒖夹盘?hào)相位噪聲，N為倍頻系數(shù)（反映輸出信號(hào)與參考信號(hào)的惡化程度）。以32.8GHz頻點(diǎn)為例，理論直接倍頻輸出時(shí)相位噪聲為：L=-155+20log（32.8/0.1）≈-104dBc/Hz@1kHz。

對于理想混頻器，其輸出信號(hào)相位噪聲為兩個(gè)不相關(guān)的輸入信號(hào)相噪相加［5］：

Sφ1(f)與 Sφ2(f)為混頻器兩個(gè)輸入信號(hào)相噪，即理想混頻器的輸出相噪具有疊加性。

對于鎖相環(huán)輸出信號(hào)，在環(huán)路帶寬以內(nèi)的相位噪聲計(jì)算如下［6～7］：

其中，L(1 Hz)為鑒相器的基底噪聲，F(xiàn)p為鎖相環(huán)鑒相頻率，N為倍頻系數(shù)。受參考相噪、鑒相器基底噪聲、電源紋波等影響，PLL實(shí)際輸出相噪遠(yuǎn)高于倍頻信號(hào)相位噪聲。

根據(jù)以上分析，直接倍頻輸出32.8GHz，其理論相噪與指標(biāo)相比僅有4dB的余量。為滿足相位噪聲指標(biāo)，該頻率源需采用DAS或者混合頻率合成技術(shù)。毫米波DAS電路包含多級倍頻濾波放大電路，尺寸、功耗、體積均比較大。本文提出了一種諧波+混頻的頻率合成設(shè)計(jì)方案：1）中頻信號(hào)由諧波發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)過功分濾波器輸出四路，IF1（5GHz）、IF2（6GHz）、IF3（7GHz）、IF4（8GHz）；2）本振信號(hào)LO（24.8GHz）由參考信號(hào)直接無源倍頻產(chǎn)生，功分四路至混頻器與上述四路中頻信號(hào)混頻；3）對混頻后的四路射頻信號(hào)濾波、放大處理，最終輸出四路低相噪毫米波射頻信號(hào)RF1（29.8GHz）、RF2（30.8GHz）、RF3（31.8GHz）、RF4（32.8GHz），其設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

圖1 毫米波頻率源設(shè)計(jì)原理圖

3 關(guān)鍵電路仿真設(shè)計(jì)與整機(jī)ADS仿真

3.1 高頻垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從方案設(shè)計(jì)原理圖1中可以看出，對于多通道混頻電路來說，必定面臨著射頻走線交叉的問題。為保證傳輸性能，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用圖2所示垂直互聯(lián)的方式：將中頻部分電路、毫米波混頻部分電路布置在微波殼體頂層，本振電路布置在底層，在各通道混頻器附近通過垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)將本振信號(hào)傳輸至殼體頂層，既可避免射頻走線交叉，又能減小本振泄露的影響。

圖2 垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)模型

圖2 所示的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)，為微帶-同軸-微帶的過渡形式。圖中圓圈范圍內(nèi)，同軸內(nèi)導(dǎo)體延伸部分及微帶末端會(huì)引入寄生電感，在傳輸TEM模的同軸傳輸線與準(zhǔn)TEM的微帶線間，不可避免地引入阻抗不連續(xù)［8～9］。隨著頻率的增加，這一不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致較大的插損與回波損耗，嚴(yán)重限制了該過渡結(jié)構(gòu)在Ku以上波段的應(yīng)用。

無損耗傳輸線的等效模型如圖3所示，利用基爾霍夫電壓和電流定律得到以下兩式：

傳輸線特征阻抗Z0計(jì)算可表示為［10］

圖3 無損傳輸線等效模型

由式（8）可知，無損傳輸線特征阻抗的平方正比于單位長度的等效電感與等效電容之比。同軸線與微帶線等效參數(shù)如表1所示。為減小寄生電感帶來不連續(xù)性，可以通過增加等效電容，即改變同軸空氣腔的直徑與微帶末端傳輸線尺寸來實(shí)現(xiàn)［11～12］。

表1 無損傳輸線的參數(shù)

根據(jù)以上分析，對該垂直互聯(lián)模型進(jìn)行匹配優(yōu)化，其仿真模型如圖4所示，仿真優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。圖5中虛線為優(yōu)化前過渡結(jié)構(gòu)回波損耗，實(shí)線為優(yōu)化后過渡結(jié)構(gòu)回波損耗與插損。優(yōu)化后的過渡結(jié)構(gòu)回波損耗得到明顯改善，尤其是工作頻點(diǎn)附近，從原來的-15dB降低到了-27dB，插損也降低至0.3dB。

圖4 優(yōu)化后垂直互聯(lián)電路HFSS模型

圖5 優(yōu)化與未優(yōu)化垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)回波損耗對比

3.2 垂直互聯(lián)與毫米波功分器聯(lián)合仿真

本振信號(hào)功分四路后，經(jīng)垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)傳輸至混頻單元。該功分器對于回波損耗、通道隔離度的指標(biāo)要求很高：垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)對駐波很敏感，功分器的回波損耗會(huì)嚴(yán)重影響互聯(lián)信號(hào)的插損；通道間信號(hào)頻率相近，經(jīng)混頻器泄露的信號(hào)會(huì)通過功分器串入相鄰?fù)ǖ溃腚y以濾除的雜散。將傳統(tǒng)威爾金森功分器優(yōu)化后，與互聯(lián)結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真，仿真電路與結(jié)果如圖6、圖7所示。

從圖7可以看出，該結(jié)構(gòu)的插損約7.3dB，通道間隔離度最差約-35dB，滿足使用要求（本振驅(qū)動(dòng)放大器反向隔離度-30dB）。

圖6 聯(lián)合仿真電路模型

圖7 電路HFSS仿真結(jié)果

3.3 高抑制度濾波器的設(shè)計(jì)

中頻電路部分為鏈路提供四路中頻信號(hào)，其頻率分別為 5GHz、6GHz、7GHz、8GHz。四路信號(hào)均由諧波發(fā)生器生成，經(jīng)過功分、濾波后輸出。中頻信號(hào)濾波器組使用發(fā)夾線濾波器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、指標(biāo)性能好且工程上易實(shí)現(xiàn)，仿真模型如圖8所示。

仿真結(jié)果如圖9所示，可以看出，濾波器帶內(nèi)插損 ≤1.4dB，帶外抑制（距中心點(diǎn) ≥1GHz）＞75dBc，滿足本文設(shè)計(jì)要求。

圖8 帶通濾波器仿真模型

圖9 低通濾波器仿真結(jié)果

3.4 射頻鏈路仿真

根據(jù)圖1所示原理圖，在ADS中設(shè)計(jì)了射頻鏈路仿真電路，如圖10所示。放大器、倍頻器設(shè)置為理想器件，混頻器與濾波器輸入仿真數(shù)據(jù)或者廠商手冊中的數(shù)據(jù)。

圖10 射頻鏈路仿真電路圖

圖11 與圖12給出了最高頻點(diǎn)的仿真結(jié)果。從圖11中可以看出輸出功率達(dá)到15.9dBm，雜散＜-75dBc，實(shí)測結(jié)果會(huì)因?yàn)槠骷抢硐胄杂兴鶒夯D12為相位噪聲仿真圖，從上至下三條線分別為32.8GHz、24.8GHz、8GHz對應(yīng)相噪，可以看出最高頻點(diǎn)32.8GHz的輸出相位噪聲約-104.6dBc/Hz@1kHz，滿足使用要求。

圖11 32.8GHz雜散與功率

圖12 32.8GHz相位噪聲

4 實(shí)物制作與測試

4.1 實(shí)物加工

本組件采用微組裝工藝加工電路，整個(gè)電路射頻部分制作在RO 5880的軟基片上，并采用裸芯片鍵合等工藝來實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的處理與傳輸。濾波器、功分器等采用同樣厚度同樣型號(hào)的PCB基板，可直接集成在微帶電路中。

將設(shè)計(jì)好的頻率源進(jìn)行電路和腔體的加工，組裝完成后的實(shí)物圖如圖13所示，實(shí)物尺寸為145mm×110mm×18mm。

圖13 頻率源實(shí)物圖

4.2 測試數(shù)據(jù)

圖14 與表2所示為該頻率源的實(shí)測結(jié)果。常溫下該組件正常工作電壓、電流值為+6V/1.6A。四個(gè)頻點(diǎn)的相位噪聲最差為-103.1 dBc/Hz@1kHz，功率 ≥10dBm，雜散均能滿足-55dBc的要求。

圖14 頻率源相位噪聲測試結(jié)果

從表2可以看出，四個(gè)通道相位噪聲最差為-103.1dBc/Hz@1kHz，與仿真計(jì)算相比，指標(biāo)幾乎沒有惡化；輸出功率均 ≥10dBm，雜散抑制最差點(diǎn)為-58dBc，滿足指標(biāo)要求，充分說明了本組件電路設(shè)計(jì)的合理性。

表2 測試結(jié)果及指標(biāo)對比

5 結(jié)語

本文提出了一種毫米波頻段低相噪小型化頻率源的設(shè)計(jì)方案，該方案利用諧波發(fā)生器產(chǎn)生多路中頻信號(hào)，與倍頻信號(hào)混頻，得到多路低相位噪聲毫米波信號(hào)。在組件設(shè)計(jì)過程中，利用HFSS三維電磁仿真軟件設(shè)計(jì)了組件中使用的濾波器、功分器等無源器件；利用絕緣子垂直對穿電路，避免了射頻電路的交叉。從實(shí)測結(jié)果可以看出，該頻率合成組件具有相噪低、尺寸小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。