基于低相噪的Ku波段频率合成器研究

陆斌 许松松 高睿劼

摘 要：频率合成器主要以精准的传输方式以及稳定的传输形态进行信号传输。文章以Ku波段低相噪频率合成器为主要研究对象，针对频率合成器的技术内容进行多角度、多层次、多维度的分析和论述，结合笔者在频率合成器领域的科研经验，提出一系列与Ku波段低相噪频率合成器相关的研究内容。

关键词：Ku波段;低相噪;合成器

0   引言

随着科学技术的发展，频率合成器领域也发生了翻天覆地的变化，一方面，以Ku波段为代表的频率合成器，其设备信号接收频率的稳定性得到有效的提升和改善，另一方面，频率合成器的体积和功能得到不同程度的改善和提升，引发从业人员的思考和议论[1]。

1 Ku波段低相噪频率合成器的主要指标

Ku波段低相噪频率合成器（见图1）的主要技术指标有：晶振频率、输出射频频率、本振信号和发射信号的单边带相位噪声、本振信号和发射信号无用频率分量、隔离、发射电路预调制等。这些技术指标对衡量合成器的應用成效具有不可估量的作用和价值，同时相关技术内容具有严格的限制，确保频率合成器的有效实施。例如，射频频率的本振信号，需要符合2 cm的波段频率;检测信号频率需要与发生信号频率保持一致;本振信号和发射信号无用频率分量需要≤﹣70 dBc;本振电路对发射信号的隔离≥105 dB，发射电路对本振信号的隔离≥90 dB;关通断比≥85 dB。

2 低相噪Ku波段频率合成器的合成类型

通常频率合成器的主要类型有3种：（1）直接式频率合成器;（2）直接数字式频率合成器;（3）锁相式频率合成器。3种频率合成器对应的应用范围以及应用目标存在明显的差异，特别是锁相式频率合成器，也被称为间接式频率合成器，不少频率合成器的组成类型属于复合型，是由多种形式共同组合[2]。

2.1  直接式频率合成器的应用

在频率合成器领域中，直接式频率合成器是早期合成器的主要类型，其设备原理较为简单，操作方便，可以直接将频率信号源进行收集，其合成方式主要有两种形态：非相关合成方法、相关合成方法。主要差异在于二者对应的参考频率不同。直接式频率合成器的突出特点在于信号分辨率极高，频率的转化效果快，大多数情况下频率转换速度<100 us。同时，该设备应用过程中性能稳定，输出信号频谱（见图2）没有任何的干扰和影响。但是该设备的缺点也较为明显，不仅需要大量的电子元件，而且集成难度较高，设备运行功率较大，在现代移动通信领域中应用极为困难[3]。

2.2  锁相式频率合成器

锁相式频率合成器是基于锁相环路理念下，构建的一套闭环相位控制系统，可以实现输出信号相位自动跟踪输入的信号相位。锁相环路技术可以实现对相位的有效跟踪，得益于信号输入与输入信号的同步性，同时利用相位的负反馈控制系统来实现相应功能。锁相式频率合成器主要由3个核心构件组成，其一为鉴相器PD，其二为环路滤波器LPF，其三为压控振荡器VCO。

2.3  直接数字式频率合成器

直接数字式频率合成器是近年来频率合成技术的创新产物，一方面，该技术的应用有效规避了传统频率合成技术的缺陷和不足，另一方面，该型号频率合成器主要是借助数字处理技术，将数字信号理论与频率合成技术有效结合，成为现代频率合成技术的发展方向。直接数字式频率合成器，对应的宽带范围较大，同时其频率转换时间相对较短，可以达到 20 ns以下，在Ku频率中展现出良好的应用成效。该频率合成器的频率分辨率很高，可以达到 0.001 Hz，并利用数字化技术可以实现设备集成，有效实现对输出频率的相位控制，提升频率、相位、幅度等一系列指标的控制程度。最为重要的是，该设备的应用可以实现与现代电子计算机的有效关联，充分发挥软件的优势和价值。直接数字式频率合成器的应用已经完全实现数字电路信息传递的科学控制。但是，需要说明的是，虽然利用了数字技术，但是直接数字式频率合成器的集成电路速度有限，目前的技术存在一定的天花板，无法满足更多设备的有效集成。随着以砷化镓为代表的集成控制材料的创新发展，直接数字式频率合成器的上限频率一定会得到提升和改善。

2.4  直接数字式频率合成器与锁相式频率合成器的融合方案

锁相式频率合成器具有高频率、宽频带、频谱纯等一系列优势，但是设备频率切换速度低，对应的频率分辨率等级较低，而直接数字式频率合成器则具有高频率切换的优势，并且设备相位分辨率较高，将直接数字式频率合成器与锁相式频率合成器有效结合，集中二者的优点和优势，提升合成方案的精度和准确度，在部分工程领域开展相关技术的研究和应用。

2.5  直接数字式频率合成器激励锁相式频率合成器的合成方案

直接数字式频率合成器激励锁相式频率合成器的组合方案，以直接数字式频率合成器为主要的参考信号，以锁相式频率合成器的频率分辨率为主要的标准，将宽带以内的杂散信号带入。

2.6  转换时间的快捷组合方案

基于直接数字式频率合成器与锁相式频率合成器的混合方案，其输出频率为fOUT=fDDS+NfL，锁相式频率合成器作为设备的本振信号维持不变，频率转换时间由锁相式频率合成器所决定。既能够体现二者的优势和价值，同时还能够减少锁相式频率合成器杂散问题的影响，提升频谱的信号质量。

2.7  方案的确定和选择

根据频率合成器的技术指标，以锁相式频率合成器为主要应用方案。以 2 cm波段VCO实现锁相，可以以较宽的宽带进行信号输出，缺点是方案需要大量的电子元件，并且受低噪声、分频器以及压控振荡器噪声等的影响，加速了频谱恶化的程度，相噪极差。因此，为了控制输出频率的宽带频率，需要在Ku波段开展系统的电路工作，从而实现小型化、集成化的发展趋势。

综合考虑各个合成器的应用特点与技术特点，结合对应的难度等级，在发射路中应用锁相式频率合成器与直接数字式频率合成器的混频方案，既能够满足高频率的输出需求，又能够实现高频率的分辨率，二者合成器的频率相差不大，直接将二者进行混合，杂波无法有效消除，因此需要在直接数字式频率合成器上的频源进行变频，然后再与锁相式频率合成器进行混频，从而实现杂波的有效抑制。

3 结语

综上所述，通过在Ku频率波段的低相噪频率合成器设备的研究和分析，从而详细阐述多种设备的应用能力与应用范围，同时借助不同频率合成器的特点和优势，深入研究对应的融合方案，提升频率合成器的功能性和适用范围。

[参考文献]

[1]金力，杨玲.Ku波段低相噪频率综合器设计[J].信息记录材料，2018（8）：77-79.

[2]鲁长来，汪炜，谢迟.一种Ku波段宽带低相噪频率合成器研制[J].雷达与对抗，2018（2）：34-37.

[3]吕迪.Ku波段频率合成器[J].现代电子技术，2011（1）：61-63，66.

（编辑 何 琳）