一种Ku波段宽带低相噪频率合成器研制

鲁长来，汪　炜，谢　迟

(安徽四创电子股份有限公司，合肥 230088)

0　引　言

小型周界监视雷达设备主要用于监视、跟踪用户关注区域范围内地面以及近地高度空间上的行人、车辆、飞行器等各型入侵目标活动情况并适时发出安全告警信号。基于调频连续波体制的频扫周界监视雷达系统一方面需要很好的杂波中可见度指标特性以保证雷达在地面或环境强杂波下的小信号目标提取能力，另一方面也需要较宽的工作频率范围以保证空间波束频扫覆盖能力。而雷达系统要实现这些功能就必须对整机指标进行分解，落实到系统中的各个设备环节中去，具体体现到对频率源设备的技术要求主要包括低相噪、宽带、频率步进跳变、低杂散等性能指标项。在工程实践中设计人员不仅要考虑各项技术指标要求的满足情况，还要考虑选择一种相对优秀的频率合成方案，以期获得产品的最佳性价比。

1　技术要求

频率范围：13.18～14.68 GHz，1.5 GHz带宽

跳频步进：20 MHz，共76个频点

输出功率：+12 dBm±1.5 dB

相位噪声：≤-110 dBc/Hz@1 kHz，≤-113 dBc/Hz@100 kHz，≤-122 dBc/Hz@1 MHz

杂散抑制：≥85 dB(10 MHz带内)，≥70 dB(10 MHz带外)

跳频时间：≤500 μs

2　方案选择

针对文中给出的某型Ku波段小型周界监视雷达系统频率合成器的技术要求，如果采用全模拟直接合成方法会导致大量的硬件消耗且代价高昂，而采用整数直接分频锁相合成方法虽然硬件简单但又会面临很大的技术指标实现风险。图1中给出的一种基于小数分频锁相环[1]的合成方案，采用在80 MHz参考信号频率(R=1)上直接鉴相，既能降低环路分频比，又可以保证输出信号的跳频步进要求，电路也很简单，但输出信号相噪的近区(偏离载频1 kHz左右)由于受到器件闪烁噪声特性的影响根本达不到-110 dBc/Hz的指标，相噪的中远区(偏离载频100 kHz左右)也受到器件平底白噪声的限制无法达标，而且13.18～14.68 GHz的宽带VCO指标受限也直接限制了输出信号相噪的远区(偏离载频1 MHz左右)指标。这时，即使参考源相噪很好也起不到任何改善作用，其典型相噪测试曲线如图2所示。

图3给出了一种基于混频锁相环的合成方案。图中，PLL1保证20 MHz的跳频步进功能，PLL2保证100 MHz的跳频步进功能，采用环内混频、整数分频锁相电路直接产生一个S波段1.5 GHz全频带带宽的跳频频标，然后利用介质振荡取样锁相环产生X波段单点频频标，经过频谱搬移至13.18～14.68GHz频带上。PLL1与PLL2组合达到了降低锁相分频比和宽带跳频的目的，但也存在PLL2分频比跨度过大、环内宽带混频虚假抑制不够带来的相噪一致性差和环路稳定性等系列问题。S波段宽带VCO指标受限造成输出信号相噪的远区(偏离载频1 MHz左右)指标不够，中近区相噪指标也临界，其典型相噪测试曲线如图4所示。

显然，图1和图3的合成方案无法支撑本案中的技术要求实现。图5采用了一种三级锁相频标法合成方案，是在图3的基础上进行了改进设计，改进思路包括将环内混频移至环外、降低低频频标锁相分频比、合理分配各级频标带宽等举措。图中，PLL1产生1.9～2.4 GHz、步进100 MHz的信号，再5分频得到0.38～0.48 GHz、步进20 MHz的P波段频标信号。PLL2产生1.5～2 GHz、步进100 MHz的L波段频标信号，经与P波段频标混频后可得到1.88～2.48 GHz、步进20 MHz的S波段跳频信号。PLL3通过介质振荡取样锁相环产生11.9 GHz的点频信号，与100 MHz恒温晶振6倍频产生的600 MHz点频信号混频产生上、下边带两个频点信号，与11.9 GHz信号一起送开关滤波器选择输出得到11.3～12.5 GHz、步进600 MHz的X波段频标信号。最后将S波段跳频信号与X波段频标信号混频合成形成最终13.18～14.68 GHz、步进20 MHz的Ku波段信号输出。

3　性能分析

3.1　相噪分析

图5中Ku波段13.18～14.68 GHz合成信号的相位噪声指标主要决定于P波段频标、L波段频标以及X波段频标的相噪性能[2]，其他各级混频、放大滤波电路的噪声影响情况基本可以通过噪声加性原理[3]大致估算。方案中采用100 MHz恒温晶振作为整机参考源，其相噪指标为-157 dBc/Hz@1 kHz，-168 dBc/Hz@100 kHz，-170 dBc/Hz@1 MHz，PLL1中器件噪声基底约为-148 dBc/Hz，以最高24倍锁相倍频噪声恶化来估算，PLL1输出信号1.9～2.4 GHz的相噪可以达到-118dBc/Hz@1 kHz，-119 dBc/Hz@100 kHz，-132 dBc/Hz@1 MHz，其中远区1 MHz相噪主要是由VCO器件决定的。方案中5分频器器件噪声基底约为-145 dBc/Hz。这样考虑分频器的噪声改善效果[4]，最终P频标0.38～0.48 GHz输出信号的相噪水平可达-130 dBc/Hz@1 kHz，-131 dBc/Hz@100 kHz，-140 dBc/Hz@1 MHz。PLL2的噪声性能与PLL1相当，输出的L波段频标1.5～2 GHz信号相噪可达到-118 dBc/Hz@1 kHz，-120 dBc/Hz@100 kHz,-132 dBc/Hz@1 MHz。PLL3中介质振荡取样锁相环输出11.9 GHz信号的相噪可达到-113 dBc/Hz@1 kHz，-120 dBc/Hz@100 kHz，-128 dBc/Hz@1 MHz。 晶振倍频的600 MHz输出信号相噪为-138 dBc/Hz@1 kHz，-145 dBc/Hz@100 kHz，-150 dBc/Hz@1 MHz,所以混频产生的X波段频标11.3～12.5 GHz相噪基本等同于PLL3的输出信号噪声水平。综合P频标、L频标、X频标信号的相噪分布情况可得出合成后的Ku波段信号相噪指标可达到-112 dBc/Hz@1 kHz，-116 dBc/Hz@100 kHz，-126dBc/Hz@1 MHz，其中L频标和X频标的噪声贡献占主导地位。

3.2　杂散分析

本案中Ku波段合成信号的杂散分布主要来源于P、L、X三级频标信号本身以及混频电路的非线性固有特性。图5中PLL1、PLL2、PLL3均采用100 MHz高速鉴相器、整数倍频工作。这里锁相环电路的杂散主要来自于鉴相器的参考信号调制泄露，而这类杂散基本可以通过环路滤波器的作用控制在75 dB以上，PLL1之后的5分频器对PLL1的杂散抑制还有一定的改善作用。方案中混频电路的杂散主要通过频率窗口设计、电路线性化设计、开关滤波选频等措施解决。图中3路开关滤波放大1电路采用3段滤波器选频，每段滤波器带宽设计为200 MHz，3路开关滤波放大2电路采用2个点频窄带滤波器选频。整体来看，方案设计上可以保证Ku波段输出信号10 MHz带内无杂散分布，10 MHz带外杂散抑制度不低于75 dB的性能水平。

3.3　宽带跳频性能分析

虽然本系统对于输出信号的跳频时间指标要求不高，但是在设计上还是要针对指标的可实现性进行论证，以免技术状态失控。从图5的方案架构上可以看到，真正影响本案跳频时间性能的环节是PLL1和PLL2两个部分，其他诸如开关滤波环节和时序控制接口电路的累计切换时间都能控制在5 μs以内，对系统的影响因素基本可以忽略。PLL1和PLL2电路中器件选择基本一样，跳频性能基本相当，考虑到环路自身的鉴频鉴相功能、环路滤波电路参数配置、VCO稳定度等各项影响因素，依据锁相环路经典的跳频时间估算方法[3]得到跳频时间值约为420 μs左右。

4　测试结果

依据图5技术方案研制的Ku波段频率合成器产品经过悉心调试、测试、试验验证，目前技术性能良好。重点针对指标要求的合成器输出信号相位噪声性能、宽带工作性能、跳变时间性能以及杂散抑制性能进行了工程测试。典型测试结果曲线见图6、图7、图8、图9。从曲线中可以看到，13.18～14.68 GHz频段内信号的相位噪声指标达到了-111 dBc/Hz@1 kHz，≤-114 dBc/Hz@100 kHz，≤-124 dBc/Hz@1 MHz，具有一定的设计余量，而且各个频点之间的相噪曲线一致性较好，最长跳频时间(跳变跨度1.5 GHz)可达400 μs，远区(10 MHz带外)杂散抑制可控制在75 dB以上，近区(10 MHz带内)除噪声以外几乎没有离散的杂波信号。

5　结束语

本方案中综合采用小分频比整数分频锁相环、介质振荡取样锁相环、模拟混频频率搬移的途径合成了Ku波段高性能信号输出，通过三级可跳锁相频标产生方案合理分配各级频标带宽，既保证了最终输出信号宽带覆盖、低相噪、步进跳频、低杂散等技术指标要求，又缩减了硬件设备量，还有效规避了应用DDS作为步进频标带来的近区高杂散抑制度难以控制的问题。经全面测试验证，该合成器的性能水平达到了预期的研制目标，能够满足某Ku波段小型周界监视雷达的使用需求。