S波段捷变频频率合成器的设计

杨 迎，张 杰

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥230088）

0 引 言

频率合成器是现代电子系统的核心设备，其频谱纯度、精度、频率分辨率和变频时间等技术指标直接影响整个电子系统的性能表现。目前，主要的频率合成技术有直接模拟频率合成、锁相环（PLL）、直接数字合成（DDS）等3种方式。直接模拟频率合成的显著优点是电路原理相对简单，跳频时间短，相位噪声特性好，缺点是功耗、成本、体积较大。PLL则是建立在相位负反馈的理论基础之上，用锁相环路锁定压控振荡器（VCO），由VCO间接产生所需频率，其优点是频率稳定度高、杂散抑制好、调试方便，但频率转换速度慢，且精细步进会产生相噪的恶化。作为新一代的数字频率合成技术，DDS具有变频时间短、频率分辨率高、相对带宽宽、可编程、易于单片集成等优点，缺点是由于D／A时钟的限制，其最大输出频率较低。［1］采用单一的频率合成技术目前难以达到高速高频小型化频率合成器的要求。为此，本文介绍了一种采用直接模拟频率合成与DDS技术相结合的频率合成方法，实现了一种S波段捷变频频率合成器，其频率步进为5 MHz，跳频时间小于2μs，相位噪声优于－119 dBc／Hz＠1 kHz，并具有体积小以及输出信号频率、功率可调的特点。

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。

可以看出，系统要求频率合成器能实现S波段的两种不同频段信号输出，要求其频率捷变时间快，且对相位噪声和杂散抑制指标要求较高。

表1 频率合成器的主要技术指标要求

2 实现方案

2.1 基本实现原理

本次频率合成器实现的主要技术路径是采用高低频标进行混频滤波的方式产生系统所需的2.66～2.91 GHz／2.74～3.04 GHz信号。

若采用完全直接模拟频率合成，虽然能满足频率捷变的特性，但其存在输出频点多时设备量大、滤波器频点定制离散、拓扑结构基本无法统一、效率低下等缺点。为此，本次频率合成器在设计时只有S波段高频标点源选择由传统的梳齿波发生器通过开关滤波产生，用以提供频率粗调；而频点较多的P波段低频标信号则采用了DDS技术，用以提供频率精调。采用DDS实现小频标信号，可一定程度减少硬件设备量，有利于频率合成器的小型化设计。同时，由于DDS的可编程性，还可方便地实现频带变化，对于S波段内的不同频带频率输出可直接通过修改软件实现，避免了电讯的重复设计，提高设计效率。

DDS的频率切换时间取决于频率控制字的传输时间及以LPF为主的器件响应时间，一般在纳秒级。［2］故选用梳妆谱点源和DDS低频信号相混频的方式，也能实现捷变频特性。

方案的原理实现框图如图1所示。将梳状谱产生的S波段高频标与DDS产生的P波段低频标信号进行混频处理，经过多路开关滤波组件分时选取出对应的频点信号，实现2 660～2 910 MHz（及2 740～3 040 MHz）的5 MHz间隔信号输出，并在末级采用数控衰减放大以实现输出信号的功率可调。

图1 频率合成器原理实现框图

2.2 S波段高频标实现

S波段高频标的产生方法主要有两种：一是采用数字锁相方式，优点是电路简单，杂散抑制好，但其变频时间相对较长，相位噪声也较差，不能满足系统要求；二是采用谐波发生器结合开关滤波组件方式，优点是原理简单，频率捷变快，一般达纳秒级，相位噪声较好，但体积较大。为此，本次频率合成器设计时将梳齿波发生器后的滤波器由传统的声表滤波器改进为FBAR滤波器（体积更小），同时将梳齿波发生器与FBAR滤波器统一集成为模块（点频源），从而进一步优化了体积。

具体实现时，S波段高频标FBAR点源以200 MHz为大步进，分别产生2.4、2.6 GHz信号，并通过开关滤波组进行切换。在实际工程应用中，预留硬件可扩充性，对梳齿波高频标点源的二选一实际选型为四选一开关滤波组，以备用频宽扩充之需，带宽窄的时候另外两路可闲置不用。此方案噪声指标优异，集成度高，有利于频率合成器的小型化设计。本次频率合成器选取的恒温晶振相位噪声约为－155 dBc／Hz＠1 kHz，根据倍频器的相位噪声理论，倍频后输出信号的相位噪声值为

式中，Li为输入信号的单边带相位噪声；N为倍频次数；ΔL为电路的附加噪声。［3］

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。对S波段高频标点源，晶振信号的最大倍频次数为26次，理论上恶化约28 dB，加上电路的附加噪声，实际输出S波段频标源的相位噪声应该优于－122 dBc／Hz＠1 kHz。

2.3 P波段低频标实现

低频标频率为260～455 MHz（及340～535 MHz），频率步进5 MHz。本次频率合成器设计时采用全数字化的信号产生方式DDS来生成P波段低频标信号，其性能指标如表2所示。

表2 DDS频标源的性能指标

可以看出，DDS频标源在400 MHz输出时相位噪声典型值为－128 dBc／Hz＠1 kHz，其参考输入频率为4 GHz，这可由100 MHz晶振参考信号通过梳齿波发生器并由窄带滤波器选取产生。该DDS频标源的最大输出频率为1 600 MHz，使用时可通过软件设定其输出频率为260～455 MHz（及340～535 MHz），频率步进设为5 MHz。

2.4 S波段捷变频频率合成器的实现

S波段高频标在2.6 GHz输出时偏移1 kHz处的相噪噪声优于－122 dBc／Hz。P波段低频标在400 MHz输出时相位噪声为－128 dBc／Hz＠1 kHz。根据混频器的相位噪声原理，当两路输入信号相噪近似相等时输出相噪恶化3 dB，而当两路输入信号相噪相差较大时，输出相噪主要取决于相噪较差的输入信号。［4］故理论输出信号相噪约为－122 dBc／Hz＠1 kHz，考虑到后级功率放大电路等附加噪声影响，实际推导得到的输出信号相噪指标在1 kHz处应该优于－115 dBc／Hz。

3 研制结果

该频率合成器兼顾了跳频时间、相位噪声、杂散抑制以及结构体积，研制结果如图2～图4所示。

图2 S波段高频标FBAR点源的相位噪声特性曲线

图3 输出2 740 MHz时的杂散抑制和相位噪声特性曲线

图4 频率合成器研制实物图

图2为S波段FBAR点源的相位噪声特性曲线。可以看出，2.4 GHz的相位噪声实测为－125 dBc／Hz＠1 kHz，2.6 GHz的相位噪声实测为－123 dBc／Hz＠1 kHz，与理论分析值基本相符。图3为选取频率合成器最高输出频点2 740 MHz，对其杂散抑制与相位噪声特性进行测试的结果。可以看出，其杂散抑制大于69 dBc，相位噪声优于－119 dBc／Hz＠1 kHz。该频率合成器信号的最大输出功率为12 dBm，末级的数控衰减可实现0～7 dB衰减控制，从而实现输出信号功率从5～12 dBm可调。通过软件的灵活设置，可实现系统所需频率合成器的两种不同频带信号输出。图4为频率合成器的研制实物图，其外形尺寸为175 mm∗145 mm∗25 mm，实现了小型化设计。由上，本次研制的S波段捷变频频率合成器的所有技术指标均满足设计要求。

4 结束语

本文采用直接模拟频率合成与DDS技术相结合的方案，实现了S波段高集成、低杂散、低相位噪声的捷变频频率合成器设计，具有输出信号的频率、功率可调的特点。本次研制的频率合成器其各项指标均满足系统的要求，已成功应用于某大型阵地雷达系统，工作稳定可靠。