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        高性能直接式頻率合成器的小型化設(shè)計

        2022-07-22 08:24:04席安安薛子鵬
        火控雷達(dá)技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:小型化雜散級聯(lián)

        常 進(jìn) 席安安 薛子鵬 王 娜

        (西安電子工程研究所 西安 710100)

        0 引言

        微波頻率源是微波電路中的關(guān)鍵部件,尤其在雷達(dá)、干擾對抗、微波成像等應(yīng)用場景下,其性能指標(biāo)尤為苛刻。寬頻帶、細(xì)步進(jìn)、捷變頻、低相位噪聲、低雜散和小型化已經(jīng)成為頻率綜合器的發(fā)展趨勢。

        目前直接式頻率合成器主要應(yīng)用基于DDS技術(shù)作為中頻頻標(biāo),并采用開關(guān)倍頻組件混頻實(shí)現(xiàn)射頻頻率,其中頻率源中大量使用LC、腔體濾波器、隔離器等大體積器件。雖實(shí)現(xiàn)高雜散及低相噪指標(biāo),但具有較大體積,在該方案基礎(chǔ)上不易進(jìn)行小型化設(shè)計。另一種方案是采用PLL技術(shù),實(shí)現(xiàn)微波頻標(biāo)信號,再通過開關(guān)、分、倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶信號源。由于采用PLL技術(shù),因此信號跳頻時間長,難以應(yīng)用在高速掃頻雷達(dá)中。

        另外,考慮到一些特殊應(yīng)用場景,需要頻率合成器具有小型化、輕量化的特點(diǎn),這就需要我們進(jìn)行一些特殊的設(shè)計。在國外,美國NI公司研制的PXle-5654系列模擬信號源,工作頻率覆蓋250kHz~20GHz,采用3U模塊架構(gòu),體積61mm×130 mm×214mm。以色列通用微波公司研制的MFS0218頻綜模塊,工作頻率覆蓋2~18GHz,體積152.4mm×152.4mm×27.9mm。在國內(nèi),成都菲斯洛克公司研制的DSY201820捷變頻頻率源,工作頻率覆蓋250kHz~20GHz,體積是200mm×150mm×30mm。以上這些成果在小型化和超寬帶上已經(jīng)具備了一定的優(yōu)勢,但是在某些指標(biāo)如相位噪聲、雜散、跳頻時間各有不足。

        基于以上應(yīng)用需求,本文提出一種基于級聯(lián)混頻的頻率合成方法,在現(xiàn)有器件水平下,經(jīng)過合適選型,結(jié)合MCM工藝進(jìn)行直接式頻綜的小型化設(shè)計。該頻率合成器具有寬帶、細(xì)步進(jìn)、捷變頻、低相位噪聲、低雜散和小型化的特點(diǎn)。文章第一部分給出了設(shè)計方法,第二部分給出了詳細(xì)指標(biāo)分析,第三部分給出了主要指標(biāo)測試結(jié)果。

        1 設(shè)計原理

        本設(shè)計中采用的直接式頻率合成技術(shù),除傳統(tǒng)開關(guān)濾波之外,額外引入了級聯(lián)混頻的方法,用于拓寬頻率范圍。所謂級聯(lián)混頻就是采用多級混頻,來進(jìn)行帶寬搬移,以此來實(shí)現(xiàn)倍于基礎(chǔ)頻帶的帶寬。本文將結(jié)合設(shè)計實(shí)例來進(jìn)行詳細(xì)說明,工作原理如圖1所示。

        圖1 頻率綜合器設(shè)計原理圖

        本系統(tǒng)中,晶振頻率為100MHz,相位噪聲-155dBc/Hz@1kHz。通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生高次諧波。這里諧波發(fā)生器采用階躍恢復(fù)二極管,具有頻譜效率高的特點(diǎn)。諧波發(fā)生器產(chǎn)生豐富的高次諧波,利用多工網(wǎng)絡(luò)對諧波進(jìn)行功分和濾波等,提取所需要的頻率。其中包含DDS的參考時鐘、大步進(jìn)的頻標(biāo)信號和用于級聯(lián)混頻的中頻頻標(biāo)。

        DDS采用GM4912,參考時鐘是3200MHz,產(chǎn)生300~400MHz的任意步進(jìn)的中頻信號。大步進(jìn)的頻標(biāo)信號采用開關(guān)濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波。這里摒棄傳統(tǒng)的LC或腔體濾波器,采用新型FBAR濾波器(薄膜體聲波濾波器),一般需要至少2級。得到高純頻譜的頻標(biāo)信號3200MHz~3600MHz。通過將DDS頻率和頻標(biāo)信號進(jìn)行混頻,可以得到3500~4000MHz的基礎(chǔ)頻率,帶寬500MHz。

        然后再將該信號與500MHz頻標(biāo)信號進(jìn)行混頻,取混頻的和頻和差頻可以將基礎(chǔ)頻率向上、向下分別拓寬500MHz。再將該信號與500MHz進(jìn)行一次混頻就可以進(jìn)一步將頻率向上、向下拓寬500MHz。最后通過開關(guān)將三路信號進(jìn)行合并輸出,就可以實(shí)現(xiàn)總帶寬2.5GHz,頻率覆蓋2.5~5GHz的輸出頻率了。

        本文應(yīng)用梳譜頻率產(chǎn)生、多工頻率分選技術(shù),提高頻率利用率,應(yīng)用FBAR濾波器技術(shù)實(shí)現(xiàn)高集成度開關(guān)濾波組件,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大步進(jìn)微波頻標(biāo)提取。采用DDS實(shí)現(xiàn)Hz級頻率步進(jìn),結(jié)合百兆赫茲級的固定步進(jìn)微波頻標(biāo)信號,使得輸出頻率具有細(xì)步進(jìn)連續(xù)可調(diào)特性,從而讓產(chǎn)品具有軟件可重構(gòu)功能,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品通用化。采用級聯(lián)混頻方案,通過級聯(lián)混頻擴(kuò)展帶寬,在倍頻程帶寬內(nèi)不需對DDS產(chǎn)生頻率進(jìn)行倍頻,有效改善了輸出信號雜散。

        2 指標(biāo)分析

        2.1 相位噪聲

        信號相噪惡化路徑如圖2所示。

        圖2 相位噪聲惡化

        諧波發(fā)生器輸出信號的相位噪聲可由式(1)表示為

        ()=()+20log+

        (1)

        ()是100MHz恒溫晶振相位噪聲,可以達(dá)到-155dBc/Hz@1kHz,通過諧波發(fā)生器之后最大輸出頻率為3600MHz,相噪惡化20log(),取36。表示混頻附加相位噪聲惡化值。諧波發(fā)生器輸出信號與DDS信號進(jìn)行混頻,該DDS信號為GM4912輸出信號,300~400MHz,相噪實(shí)測約-130dBc/Hz@1kHz,遠(yuǎn)優(yōu)于頻標(biāo)信號,因此混頻后的相噪主要考慮頻標(biāo)信號,工程損耗小于1dB。后面與500MHz進(jìn)行的2次混頻也是同理。每次混頻工程損耗小于1dB。利用式(1)計算最終輸出信號相位噪聲值為:()≈120dBc/Hz@1kHz。

        2.2 雜散抑制

        雜散主要來源分別是梳狀譜發(fā)生器輸出信號、混頻、倍頻諧波分量和本振泄露、開關(guān)和功分器信號串?dāng)_、電源與射頻信號串?dāng)_、多層板信號空間及板內(nèi)串?dāng)_。其次來源于DDS中頻信號輸出雜散。

        梳狀譜發(fā)生器輸出信號頻譜成分豐富,首先通過低通濾波網(wǎng)絡(luò)和功分多工網(wǎng)絡(luò)對有用信號進(jìn)行分別提取,主要包含0.5GHz,3.2~3.6GHz點(diǎn)頻信號。再通過聲表波濾波器、FBAR濾波器多級(3級)級聯(lián)進(jìn)行點(diǎn)頻信號濾波,以確保雜散在-70dBc以下。

        采用開關(guān)濾波級聯(lián)(2級)網(wǎng)絡(luò)對混頻和倍頻信號進(jìn)行分段濾波,以確?;祛l諧波分量和泄露雜散被抑制到-70dBc以下。

        DDS輸出信號300~400MHz經(jīng)過開發(fā)評估板實(shí)測近端雜散優(yōu)于-75dBc,通過LC或LTCC濾波器實(shí)現(xiàn)濾波,將可用信號外雜散和諧波進(jìn)行濾除,雜散可降低至-70dBc。

        開關(guān)和功分器信號串?dāng)_需考慮開關(guān)和功分器信號隔離度,利用衰減器、濾波器、放大器的反向隔離等措施降低開關(guān)和功分器通道間的雜散。綜上所述,通過以上措施可以將雜散控制在-70dBc以下。

        2.3 跳頻間隔、跳頻時間

        跳頻時間主要由小步進(jìn)DDS頻率切換時間、大步進(jìn)開關(guān)濾波切換時間和控制信號寫入和傳輸延時構(gòu)成。DDS頻率建立時間在ns級,同時開關(guān)切換時間是幾十ns,數(shù)字信號控制寫入和傳輸時間約幾百ns,因此跳頻時間可控制到1μs以內(nèi)。

        3 硬件實(shí)現(xiàn)與指標(biāo)測試

        模塊采用矩形連接器進(jìn)行電源和控制信號的傳輸,對外射頻接口采用SMA連接器。最終完成模塊如圖3所示。

        圖3 頻率合成器電路結(jié)構(gòu)

        內(nèi)部集成晶振、時鐘分配、通訊、控制、DDS、梳狀譜發(fā)生器、多工網(wǎng)絡(luò),各級開關(guān)濾波、合路濾波等電路。將這些功能電路集成設(shè)計、同時考慮電磁兼容,極具挑戰(zhàn)。本項目采用多層板和MCM實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計,合理劃分功能區(qū),數(shù)字電路和模擬射頻電路集成到一塊多層印制板上,最大化利用空間,并兼顧電磁兼容和導(dǎo)熱等設(shè)計。

        為了提高信號之間的隔離度,減小串?dāng)_,提高雜散,需要對電源、結(jié)構(gòu)等采取一定的措施。例如,電源與控制信號的隔離,通過磁珠、高阻線和高頻旁路電容進(jìn)行抑制,防止不同通道之間信號的串?dāng)_。采用足夠多的分腔、屏蔽膠條等盡可能阻斷空間信號串?dāng)_,板內(nèi)也采用地孔、鋪地等方式減小信號串?dāng)_,并通過內(nèi)層帶狀線減小表面波串?dāng)_。除通過以上措施外,在設(shè)計時也要盡可能考慮細(xì)節(jié),以減小信號串?dāng)_和雜散的產(chǎn)生,如在分段濾波時,將相鄰頻帶信號順序打亂隔離,以提高濾波器抑制效率等。

        功率和雜散抑制采用是德科技的N9040B頻譜分析儀進(jìn)行測試,相位噪聲采用安捷倫的E5052B信號分析儀,測試結(jié)果如圖4至圖6所示。可以看到在帶寬輸出內(nèi),輸出功率約12dBm,功率起伏在4dB內(nèi)。當(dāng)輸出頻率為3GHz,雜散在近端、遠(yuǎn)端均優(yōu)于-73dBc。當(dāng)測試頻率為4.327GHz時,典型相位噪聲為-123 dBc/Hz@1kHz。

        圖4 功率幅度測試

        圖5 雜散抑制測試圖

        圖6 相位噪聲測試

        4 結(jié)束語

        本設(shè)計中頻率綜合器采用級聯(lián)混頻技術(shù),并實(shí)現(xiàn)了小型化的樣機(jī)。該頻率綜合器具有寬頻帶、細(xì)步進(jìn)、低相噪、小型化、捷變頻等特點(diǎn)。同時本文所提到的設(shè)計方案,可以拓展到其他頻段,實(shí)現(xiàn)更寬的應(yīng)用范圍。本文給直接式頻率合成技術(shù)提供了小型化的設(shè)計方向,這使得傳統(tǒng)的直接式頻率合成器可以應(yīng)用于更廣泛的平臺上。

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