小步进S波段直接频率合成器设计

代传堂，柴文乾

(中国电子科技集团第三十八研究所，安徽合肥 230088)

0 引言

频率合成器是通信、雷达、仪器、空间电子设备和电视等电子系统的心脏，其好坏直接影响电子系统的性能指标［1］。随着电子技术的飞速发展，现代雷达对频率合成器的要求也越来越高，大频带、小步进、低杂散、低相位噪声和快速变频已成为频率合成器的发展趋势［2］。本文介绍了一种S波段小步进大带宽的直接频率合成器实现方法。该合成器输出频率范围为2.67～2.97 GHz，工作带宽为301 MHz，频率步进为1 MHz，共301个频点，并具有低杂散、低相位噪声和快速变频等特点。

1 设计要求

某系统对频率合成器提出的主要技术指标如表1所示。

表1 频率合成器的主要技术指标要求

通过对频率合成器技术指标的深入分析，并结合实现的复杂程度，采用了直接合成的方案。

直接合成方式是利用倍频器、分频器和混频器对频率进行加减乘除运算，得到各种所需的频率［3］。直接频率合成器具有低相位噪声和快速变频等优点。同时，体积相对较大、成本较高，使得该合成方式的应用受到了一定的限制。但是，随着微电子技术的发展，很多的功能电路可以实现芯片集成，从而直接频率合成器的体积可以越来越小，成本也会越来越低。

2 设计方案

一般的直接合成方案通常采用的是高低频标进行混频滤波的方式，高低频标则由梳齿波发生器通过开关滤波器滤波产生。这就意味着频率合成器的频率步进完全由低频标决定。如要实现1 MHz的频率步进，则要求低频标信号(通常为几百兆赫兹）的步进也为1 MHz。这样的话，需要低频标滤波器对中心频率±1 MHz处的抑制通常要大于70 dBc。如此高指标的滤波器是难以实现的。

本文采用的直接合成方式中，低频标梳齿波信号并没有直接地进行滤波，而是分成两路，一路滤波，另一路滤波分频，再进行混频处理，使得最后通过滤波产生出253～332 MHz的1 MHz 间隔低频标信号具有高的杂散抑制。高频标信号由S波段梳齿波发生器通过开关滤波产生，共4 种信号，分别为2.4、2.48、2.56和2.64 GHz。该高低频标通过混频、滤波和放大电路后产生出系统所需的2.67～2.97 GHz信号。该方案的原理实现框图见图1所示。

图1 频率合成器实现原理框图

3 主要技术指标分析

3.1 杂散抑制

杂散是指和输出信号没有谐波关系的一些有限频率，在频谱上可能表现为若干对称边带，也可能表现为信号频率谱线旁的非谐波关系的离散谱线。这些谱线往往都高于噪声。这些无用信号若通过混频进入接收机中频信号带内，将会影响雷达的改善因子，甚至会造成雷达的错误跟踪。所以，杂散抑制是频率合成器的重要指标之一。

本频率合成器所需实现的杂散抑制指标为大于等于65 dBc，可主要通过以下几个方法来实现。首先也是最为关键的，是选取合适的混频频率窗口，以及适当的混频信号的电平，使得混频产生的交调寄生信号落在所需信号的带外，从而可以用后级的滤波器将这些寄生信号进行滤除。若寄生信号离所需的信号频率较近，则可以通过将后级滤波器分段滤波来提高对寄生信号的抑制效果，从而达到提高杂散抑制的目的。其次，加强电源滤波和加强重要模块的屏蔽设计等措施来进一步提高杂散抑制。

3.2 跳频时间

跳频时间为频率合成器输出的频率从某一频率变换到另一频率时所需的时间，是频率合成器的主要指标之一。直接频率合成器的跳频时间由控制电路的延迟、开关的切换时间和滤波器的延迟时间综合决定。通常情况下，控制电路的延迟和开关的切换时间均小于100 ns，所以直接频率合成器的跳频时间主要由滤波器的响应时间决定。

滤波器的3 dB 带宽B3dB与脉冲从10%上升到90%峰值电平所需的上升时间tr之间的基本关系为

其中，k为比例因子，通常取值在0.3～0.45 之间［4］。由上式可知，滤波器的带宽越窄，其响应时间就越长。

本方案中，P 频标的滤波器带宽最窄，是影响整个系统跳频时间的主要因素。该滤波器的响应时间约为1 μs。所以，系统总的跳频时间应满足小于等于2 μs的要求。

3.3 相位噪声

相位噪声是频率合成器的重要指标。它表征了频率稳定度的高低，影响着雷达系统的检测能力。从频域上看，频率合成器的相位噪声是对称分布在信号的载波两侧的连续谱，一般是按高斯分布的。

根据相位噪声的定义，偏离载频频率为fm处中心1 Hz 带宽内的单边带相位噪声功率与载频总功率之比定义为该频率fm处的单边带相位噪声［5］:

式中，φ2(fm）为fm处的单边带相位功率谱密度，单位为rad2/Hz，等于由Pn引起的相位抖动均方值;Pn为偏离载频fm处1 Hz 带宽内的单边带相位噪声功率;P0为载频总功率。用对数表示为

单位为dBc/Hz。

本频率合成器所要实现的相位噪声指标为－115 dBc/Hz@1 kHz，选取的恒温晶振相位噪声约为－153 dBc/Hz@1 kHz。根据倍频器的相位噪声理论，倍频器输出的相位噪声理论为

式中，Li为输入信号的单边带相位噪声，N为倍频的次数。在实际应用中，倍频器实际的输出相位噪声还应该加上电路的附加噪声。通过电路的优化设计，可使附加噪声对相位噪声的恶化控制在5 dB 以内。

本频率合成器设计方案中，晶振信号最大倍频次数为33 次，理论上恶化约31 dB，加上电路的附加噪声，实际输出信号的相位噪声应该优于－117 dBc/Hz@1 kHz，可以满足系统的指标需求。

4 研制结果

通过以上分析，设计出具体的电路。该直接频率合成器主要技术指标实现结果如表2所示。

表2 频率合成器技术指标实现结果

通过表2 可以看出，频率合成器的所有技术指标均满足设计要求，相位噪声的实际指标也与理论的分析基本接近。

下面给出频率合成器主要指标的测试曲线和实物照片。

图2为频率合成器输出2.7 GHz信号时1 GHz 频率范围内的杂散抑制频谱特性图。可以看出，该频点处的杂散抑制大于68 dBc。

图3为频率合成器输出信号的频率从2.7 GHz 变换到2.701 GHz时的跳频时间测试图，可看出该跳频时间为1.16 μs。

图2 输出2.7 GHz信号的频谱图

图3 跳频时间测试图

图4 输出2.7 GHz信号的相位噪声测试图

图5 输出2.701 GHz信号的相位噪声测试图

图4、图5分别为频率合成器输出频率为2.7 GHz和2.701 GHz时的相位噪声测试曲线，可以看出相位噪声指标分别优于－120 dBc/Hz@ 1 kHz和－121 dBc/Hz@1 kHz。

图6为该频率合成器的实拍照片，结构盒体采用了轻质铝合金材料，经过精密加工而成，其外形尺寸为280 mm×245 mm×60 mm。

图6 频率合成器实物照片

5 结束语

随着现代雷达技术的飞速发展，雷达系统对频率合成器提出了更高的要求［6］，从而推动了频率合成技术的发展。本文采用了一种改进型直接频率合成技术，实现了S波段大带宽、小步进、低杂散、低相位噪声和快速变频的频率合成器设计，各项指标均满足系统的要求，并已成功应用于某新型多功能雷达系统，工作稳定可靠。

［1］Vadim Manassewitsch.频率合成原理与设计［M］.何松柏，宋亚梅，鲍景富，等译.3 版.北京:电子工业出版社，2008.

［2］刘永智，鲍景富，高树廷.一种宽带频率综合器的设计与实现［J］.中国电子科学研究院学报，2011，6(1）:24-27.

［3］万天才.频率合成器技术发展动态［J］.微电子学，2004，34(4）:366-370.

［4］柴文乾，段宗明，代传堂.直接频率合成器的模块化设计与分析［J］.电讯技术，2008，48(12）:47-51.

［5］高树廷.间接式雷达频率合成器的相位噪声分析与测量［M］//微波频率源及其测量.西安:陕西科学技术出版社，1991.

［6］柴文乾.一种小型化低相噪S波段直接频率合成器［J］.雷达科学与技术，2005，3 (5）:306-309.