宽带频率综合器设计中杂散问题研究

刘玲玲，王自力，葛 枫，孙婷婷

（1. 中国电子科技集团公司超导电子技术重点实验室，安徽 合肥 230043；2. 中国电子科技集团第十六研究所，安徽 合肥 230043）

宽带频率综合器设计中杂散问题研究

刘玲玲1,2，王自力1,2，葛 枫1,2，孙婷婷1,2

（1. 中国电子科技集团公司超导电子技术重点实验室，安徽 合肥 230043；2. 中国电子科技集团第十六研究所，安徽 合肥 230043）

频率综合组件的杂散指标影响着整个系统的工作性能。详细介绍一款工作跨X-K波段，带宽9 GHz的频率综合器设计过程中的杂波抑制的解决措施。该款宽带频率综合器的设计包含了锁相、倍频、混频等频综设计主要常用技术，频带拓展主要采用开关滤波器组来实现。方案中电路设计比较复杂，外加控制电路的数字信号干扰，杂散指标一直是调试过程中的瓶颈问题。该频综的杂散主要包含本振泄漏、高次谐波、交调信号以及数字电路的干扰等。通过实验分析，找到杂散的来源，给出解决方法。该频综的设计杂波抑制要求-60 dBc，通过反复调试程序及电路，实现了系统指标要求，9 GHz工作带宽内杂散抑制达到-65 dBc。

频率综合器；宽带；杂散；本振泄漏；交调信号；开关滤波器组

在电子信息时代，电子侦察与电子对抗越来越受到人们的高度重视，为提高截获概率，并对截获信号的载频、脉内调制等信息进行分析、复制，进而进行有效的干扰，超宽带、高分辨、高杂波抑制和低相位噪声的频率合成器是电子侦察与对抗系统所期望的[1-5]。此外，如信号源、频谱仪、网络分析仪等仪器设备对频率源带宽的要求也越来越高[3]。因此，研究超宽带且满足一定相噪、杂散和步进频率的微波频率源具有重要的意义[6-9]。频综（频率综合器）设计中，杂散指标抑制是考核其性能优异的关键，因为杂散干扰直接影响了接收系统的灵敏度，导致系统整体性能下降[4]。因此，低杂散一直是国内外工程师研究的热点。宽带频综在设计中遇到的杂散问题就会更加突出，由于工作带宽比较宽，杂波抑制在设计中需要考虑更多[10-11]。包括方案设计、电路设计、结构设计等诸多方面都需要考虑[7-8]。本设计介绍开关滤波器组拓展频率遇到的杂散问题，并提出解决方法。

1 设计方案

频率综合器工作带宽9 GHz，频率步进10 MHz，相位噪声-90 dBc@1 kHz，杂散抑制大于60 dBc，工作温区-45～+75 ℃。通过分析指标，认为此频率综合器设计主要考虑的问题是：工作频带宽、频率步进小、体积小、杂散抑制高以及宽温度工作的可靠性。综上叙述，该频综方案如图1所示，晶振信号功分两路，一路通过S波段锁相环PLL产生2～3 GHz的跳频信号作为中频信号[13]；另一路信号经过梳状谱发生器以及开关滤波器组产生10～14 GHz点频信号作为本振信号，与前面产生的S波段跳频信号相混频。混频器输出通过开关滤波器组，产生X-K频段的频率信号[1]。以上方案相噪实现问题不大，但是混频之后的交调分量较多，杂散问题就需要着力解决[2,6,12]。

图1 频综的方案Fig.1 Frequency synthesizer scheme

2 杂散来源

由于混频器是依靠非线性元件来实现变频，而通过非线性元件信号将含有许多频率成分（|±pfL±qfC|p, q=0,1,2,3…），有用信号 uc(fc)与干扰信号±un(fn)混频产生干扰，也是杂散的主要来源。图2给出了非线性器件工作示意图。

图2 非线性器件工作示意图Fig.2 Schematic diagram of nonlinear device operation

从方案上可以看出，该款频综的杂散来源主要是混频后的交调分量，但是带通滤波器实测在带外抑制能够达到-70 dB，图3所示为实际测试曲线，杂散指标只能做到-45 dBc左右。

图3 滤波器测试曲线图Fig.3 Filter test curves

原因主要有几个方面：（1）全频带带宽较宽，通带内杂散指标本身就很难解决；（2）工作温区跨度大，器件的高低温特性起伏大，造成杂散在低温工作恶化严重；（3）结构设计存在局限，采用开关滤波器组分段滤波，不可避免会由于开关隔离度不够加上腔体缝隙泄漏，造成杂散；（4）电路设计涉及模拟部分和数字部分，模数信号干扰，就会对信号产生杂散。该频综的输出是宽带信号，杂波存在也不是某个点，为了方便说明，文中的杂波信号采用点频信号。

由于以上原因，远端杂散主要有本振泄漏、交调信号和中频谐波。方案中宽带信号多次混频，本振信号就会泄露到射频通道，形成本振泄漏杂散。其中本振泄漏也分为两种：一种是输出信号自身的本振信号泄漏，这一点在15～16 GHz（13 GHz本振和2～3 GHz中频混频）通带内体现明显。滤波器抑制（70 dBc）和混频器对本振的隔离(30 dBc)。（13 GHz）抑制=(70+30) dBc=100 dBc，13 GHz这一点杂散是满足60 dBc要求，如图3所示表述。13 GHz本振泄漏杂散15～16 GHz滤波器理论上应该滤除，事实上无法滤除，实际调试中该点杂散常温下只有-50 dB左右。谐波发生器输出15 GHz的谐波信号正好落在15～16 GHz滤波器带内，也无法滤除。

图4 本振泄漏描述Fig.4 The description diagram of local oscillator leakage

另外一种是谐波发生器给出的其他信号，由于上变频后滤波器带宽是1 GHz通带，所需本振信号的±1 GHz谐波发生器输出信号无法滤除，比如10 GHz输出点的9 GHz和11 GHz的谐波发生器信号泄露。

图5 本振泄漏描述Fig.5 The description diagram of local oscillator leakage

交调信号杂散组要是由中频信号谐波和本振信号谐波混频出来的信号正好落在通带内。在 13～14 GHz通带内交调信号，比如13.1 GHz信号输出，存在13.6 GHz杂波，因为13.1 GHz是由11 GHz本振和2.1 GHz的中频上变频而来，如表1所示为13～14 GHz通带内交调数据，这时本振的二次谐波22 GHz和中频的四次谐波8.4 GHz混频产生的13.6 GHz正好在13～14 GHz滤波器通带内。

表1 13～14 GHz通带内交调Tab.1 13－14 GHz passband intermodulation

中频信号2～3 GHz的3，4，5，6次谐波出现在工作频带8～16 GHz频带内，造成杂波，无法滤除。比如8～9 GHz通带内存在中频的三次谐波，8 GHz信号输出，存在中频信号的3次谐波9 GHz，正好在通带内，形成杂波，如图6所示。因为中频信号6次谐波可达到18 GHz，因此很多通带内存在以上现象的杂散。

图6 8～9 GHz通带内谐波杂散Fig.6 8－9 GHz passband harmonic spursious

除了以上描述的杂散问题，在输出信号的近端也存在杂散干扰，近端杂散来源模数信号干扰，即串口通信模块和单片机晶振时钟带来的干扰。本项目采用外接串口232芯片实现频率跳变，232芯片属于数字芯片，会对输出信号产生调制，即增加近端杂散（见图7）。

图7 中频信号2 GHz近端杂散Fig.7 IF signal 2 GHz proximal spursious

3 杂散问题的解决方法

经上述分析，杂散的来源方式就决定了解决方式。本振泄漏带来的杂散，主要是因为腔体的缝隙和开关隔离度不够造成的。腔体需要做好隔离，减少缝隙，因此开关滤波器组采用隔筋，通过盖板形成独立的通带，减少信号串扰。开关隔离度不够，解决办法只有重新设计开关级联。开关设计采Hittite公司的 HMC347，多级开关组成单刀五掷开关，这样隔离度叠加就可以满足要求。

对于交调信号，最有效的解决办法就是减小中频信号输出功率。但是过度减小中频信号会带来高温输出功率不满足要求，为此在设计中改用温补衰减器来代替普通衰减方式。从图8图9可以看出，温补衰减器高低温功率补偿可以达到15 dB。采用温补衰减器可满足高温输出功率要求。

图8 4 dB衰减器温度特性曲线Fig.8 The temperature characteristic curves of 4 dB attenuator

图9 3 dB衰减器温度特性曲线Fig.9 The temperature characteristic curves of 3 dB attenuator

虽然采用了衰减器减小了中频信号，但是它的谐波仍在带内。本研究采用了两级单片低通滤波器级联，有效避免了高次谐波的辐射带来的杂散。如图 10所示单片低通滤波器的性能曲线，其在 6～17 GHz频带内抑制可以达到-50 dB，对9 GHz信号的抑制达到-60 dB，两级滤波器满足使用要求。

图10 单片低通滤波器性能曲线Fig.10 Performance of MMIC low pass filter

以上分析远端杂波的解决方法，在实际测试中，近端杂波远比远端信号难以解决，因为它在带内，距离主信号又近，滤除是不可能的，只能从设计上改进。在不断实验过程中，主要采取以下三种方式来减小干扰：在电路设计时，将数字地和模拟地分开；数字信号和模拟信号采用稳压块分别供电；改变器件的工作电压。将数字电路设计部分串口芯片MAX3232供电采用 LP5900SD-3.3V单独供电，这样既可以起到电源作用，也降低了 MAX3232的工作电压，减小了其在近端产生干扰。对于PLL电源和单片机以及晶振的电源设计分开独立供电。

4 测试结果和分析

测试采用100 MHz参考晶振，0 dB参考电频输入，晶振型号为 PFOC3-0143，测试仪器使用Aglent4777频谱分析仪。杂散测试结果如图11所示。

图 11(a)中 8.1 GHz输出信号的杂散达到-70 dBc，说明采用单片低通滤波器能够滤除中频信号的高次谐波。在图11（b）中，本振泄漏带来的杂散也满足设计要求。通过电路设计改进，近端杂散测试也满足设计要求如图11（c）和11(d)所示。

5 结论

从测试数据看出，该频综的设计杂散指标达到-65 dB以上，满足设计使用要求。当然该频综的杂散存在原因，不仅仅包括以上几个方面，也有器件不匹配、焊接等因素。本研究对在宽带频综设计中可能会出现的问题进行了分析，并提出需要注意的细节问题，对于进行开关滤波器组来设计宽带频综的工程师，具有很好的参考价值和工程借鉴意义，避免走一些弯路，节省设计时间和成本。

[1] MICHAEL P K, MO H J, LI Z D, et al. The noise and spur delusion in fractional-N frequency synthesizer design [C]//International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS).Lisbon, Portuguesa: IEEE, 2015: 2577-2580.

[2] 李占国. 8～18 GHz宽带微波频率源模块研究 [D]. 成都:电子科技大学, 2010: 3-5.

[3] LIU L, FAN J W, LIU Q S. VCO based design of low phase noise microwave frequency synthesizer [C]// International Conference on Communication Technology (ICCT).Hangzhou: IEEE, 2015: 248-251.

[4] 王晋杰. 基于 YIG 振荡器的微波超宽带频率综合器研究 [D]. 成都: 电子科技大学, 2009: 32-54.

[5] MICHAEL P K, MO H J, YANN D. Phase noise and spur performance limits for fractional-N frequency synthesizers[C]// Irish Signals and Systems Conference (ISSC), Carlow:IEEE Ireland, 2015: 1-6.

[6] ZHI X G, XIAO H T. An 8～20 GHz wideband frequency synthesizer [C]// International Symposium on Intelligent Signal Processing and Commnication Systems(ISPACS2010). Chengdu: IEEE, 2010: 1-4.

[7] 蔡发娟. 宽带微波锁相频率源设计 [D]. 成都: 电子科技大学, 2010: 29-54.

[8] XIA M M, ZHU X W, ZHANG N Z. Design of low phase noise and wideband frequency synthesizer from 31.25 MHz to 8 GHz [C]// IEEE 4th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP). Bali Island, Indonesia:IEEE, 2015: 460-461.

[9] CHEN J H, HUANG D P, LI W, et al. Wideband fraction-N frequency synthesizer design for software-defined radio[C]// Wireless and Microwave Technology Conference(WAMICON). Orlando, Florida: IEEE, 2013: 2-3.

[10] ZAFAR S, ZULKIFLI T Z A, AWAN M. Design of voltage controlled oscillator (VCO) for ultra wideband (UWB)CMOS frequency synthesizer [C]// International Conference on Intelligent and Advanced Systems. Kuala Lumpur, Malaysia: The Conterence Organizor, 2007:1383-1386.

[11] NASR R W, KISSINGER D. A 50 to 100 GHz frequency synthesizer with 17 dB side-band suppression using a single VCO core [C]// European Microwave Integrated Circuit Conference. Nuremberg, Germany: The Conterence Organizor, 2013: 89-92.

[12] 鲁纯, 韩周安. C频段宽带低杂散频率合成器的设计与实现 [J]. 现代电子技术, 2015, 38(3): 87-94.

[13] 黄学金. X波段低相噪频率综合器设计 [J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2015, 13(2): 263-266.

（编辑：曾革）

Research of the spurious in wideband frequency synthesizer design

LIU Lingling1,2, WANG Zili1,2, GE Feng1,2, SUN Tingting1,2
(1. Key Laboratory of Superconducting & Electronic Technologies, CETC, Hefei 230043, China; 2. The 16th Research Institute of CETC, Hefei 230043, China)

Spurious index of the frequency synthesizer module affects the system performance. A clutter suppression solution and method were proposed in the design of frequency synthesizer with 9 GHz bandwidth in X-K band. Wideband frequency synthesizer which includes the technique of phase-locked, multiplier, mixer and other commonly used technology, the main method of expanding frequency was using switch filter group. Because of the complex circuit design,and the disturbance of the digital signal, the spurious index of the circuit is the bottlenecks in the program. The frequency spurious mainly includes local oscillator leakage, high harmonics, intermodulation signals and digital circuit interference.Through the experimental analysis, the source of the spurious is found and the solution is given. The design requirements of this frequency synthesizer’s clutter suppression is -60 dBc. Finally, through repeated debugging procedures and circuits to achieve the requirements of the system targets, the spurious suppression of frequency synthesizer module can reach -65 dBc, within the work bandwidth of 9 GHz.

frequency synthesizer; wideband; spurious; local oscillator leakage; intermodulation signal; switching filter banks

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.07.013

TN741

A

1001-2028（2017）07-0066-05

2017-05-16

刘玲玲

刘玲玲（1988－），女，安徽合肥人，工程师，研究生，研究方向为微波技术领域的频率源及组件方向，E-mail: mc1519@126.com 。

时间：2017-06-29 10:24

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1024.013.html