一種新穎的星載寬帶頻率源設(shè)計(jì)

王立生

(成都天奧電子股份有限公司,成都 611731)

一種新穎的星載寬帶頻率源設(shè)計(jì)

王立生

(成都天奧電子股份有限公司,成都 611731)

針對(duì)應(yīng)用于復(fù)雜空間環(huán)境的寬帶接收機(jī)的需求,提出了一種新穎的頻率源設(shè)計(jì)方案。采用鎖相環(huán)(PLL)和倍頻電路實(shí)現(xiàn)寬帶頻綜,采用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)實(shí)現(xiàn)窄帶細(xì)步進(jìn)頻綜。給出了頻率源的詳細(xì)設(shè)計(jì)思路、實(shí)現(xiàn)方法及可靠性設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容,實(shí)測(cè)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的頻率源各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

寬帶接收機(jī);星載頻率源;PLL;DDS;可靠性設(shè)計(jì)

1 引 言

頻率源作為接收機(jī)中的關(guān)鍵設(shè)備,提供系統(tǒng)所需高質(zhì)量的本振信號(hào),其電性能指標(biāo)和可靠性對(duì)系統(tǒng)有著重要影響。一種工作于空間環(huán)境的星載寬帶接收機(jī),采用三次變頻方案實(shí)現(xiàn),則頻率源包含了寬帶大步進(jìn)頻率源、點(diǎn)頻本振源和窄帶細(xì)步進(jìn)頻率源3個(gè)本振源[1]。

由于應(yīng)用于特殊工作環(huán)境,頻率源的設(shè)計(jì)在滿足系統(tǒng)電性能技術(shù)指標(biāo)的前提下,應(yīng)重點(diǎn)考慮以下3個(gè)方面:立足現(xiàn)有水平,采用成熟技術(shù)和電路,壓縮元器件種類和品種,保證設(shè)計(jì)的可靠性和繼承性;采用最簡(jiǎn)方案設(shè)計(jì),不一味追求高指標(biāo),盡量簡(jiǎn)化電路,降低系統(tǒng)的復(fù)雜度;采用備份設(shè)計(jì),通過(guò)冗余電路降低設(shè)備失效率。

本文闡述了一種根據(jù)上述思路設(shè)計(jì)的頻率源,給出了頻率源內(nèi)部組成、詳細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案、主要指標(biāo)分析及可靠性設(shè)計(jì)等內(nèi)容,并給出了主要測(cè)試結(jié)果。

2 頻率源的實(shí)現(xiàn)

頻率源中包含的本振數(shù)量取決于接收機(jī)的變頻次數(shù),本系統(tǒng)中的寬帶接收機(jī)的工作頻率范圍為L(zhǎng)～C頻段,頻率步進(jìn)10 kHz,采用三次變頻方案,則頻率源的內(nèi)部組成包括一本振寬帶頻綜、二本振點(diǎn)頻源、三本振窄帶細(xì)步進(jìn)頻綜,還包含了晶振參考鏈路、遙測(cè)指示電路和二次電源。為了實(shí)現(xiàn)寬頻帶接收能力和頻率細(xì)步進(jìn)掃描功能,采用寬帶大步進(jìn)頻綜和窄帶細(xì)步進(jìn)頻綜相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案,一本振寬帶頻綜采用大步進(jìn)頻率,降低設(shè)計(jì)難度,三本振窄帶頻綜實(shí)現(xiàn)細(xì)步進(jìn)功能,設(shè)計(jì)一本振的步進(jìn)頻率為三本振的信號(hào)帶寬,通過(guò)一、三本振的配合掃描實(shí)現(xiàn)接收機(jī)全頻段寬帶細(xì)步進(jìn)跳頻功能。

為滿足系統(tǒng)可靠性指標(biāo)要求,需要對(duì)頻率源進(jìn)行備份設(shè)計(jì)。為減少系統(tǒng)功耗,降低設(shè)備之間的干擾,采用冷備份方案,主備電路分時(shí)交叉工作,通過(guò)切換主備份設(shè)備電源的方式實(shí)現(xiàn)主備切換功能。備份方式為交叉?zhèn)浞莺鸵灰粋浞莸慕M合方案,頻率源內(nèi)置溫補(bǔ)晶振采用交叉?zhèn)浞莘绞?各頻率源采用一一備份方式,即晶振與頻率源間有4種備份組合方式:晶振(主)-頻率源(主)、晶振(主)-頻率源(備)、晶振(備)-頻率源(主)、晶振(備)-頻率源(備),而頻率源與接收機(jī)有兩種備份方式:頻率源(主)-接收機(jī)(主)、頻率源(備)-接收機(jī)(備)。頻率源主備管理方案如圖1所示。

圖1 頻率源主備管理方案Fig.1 The primary and backup system of the frequency synthesizer

頻率源一本振工作于X頻段,信號(hào)帶寬5 GHz,頻率步進(jìn)8 MHz。方案采用了單環(huán)PLL和直接二倍頻結(jié)合的方式,利用倍頻器有效降低信號(hào)輸出頻率,壓縮信號(hào)帶寬,使得采用PLL單環(huán)電路能夠?qū)崿F(xiàn),在滿足電性能指標(biāo)的前提下最大限度地簡(jiǎn)化了電路,降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。二本振為X頻段點(diǎn)頻源,采用單環(huán)PLL即可實(shí)現(xiàn)。一、二本振在具體電路設(shè)計(jì)上,由于受到能夠應(yīng)用于空間環(huán)境的鑒相器的射頻工作頻率所限,在PLL環(huán)路反饋端使用了固定四分頻器,目的是降低進(jìn)入鑒相器的反饋射頻信號(hào)的工作頻率。三本振為窄帶細(xì)步進(jìn)頻率源,帶寬8 MHz,頻率步進(jìn)10 kHz。若采用整數(shù)PLL實(shí)現(xiàn),為了實(shí)現(xiàn)細(xì)步進(jìn)跳頻,鑒相頻率只能做到10 kHz,則環(huán)路分頻比會(huì)非常大,造成相噪和雜散指標(biāo)都不能滿足要求;而如果采用小數(shù)PLL實(shí)現(xiàn),雖然降低了分頻比,可以獲得比較良好的相噪指標(biāo),但由于小數(shù)PLL自身的固有機(jī)理,在某些頻點(diǎn)上存在的近端尾數(shù)調(diào)制雜散無(wú)法滿足指標(biāo)要求。因此,最終方案選擇采用DDS直接頻率合成方式,參考信號(hào)在DDS內(nèi)部倍頻作為時(shí)鐘,DDS直接輸出三本振頻率,經(jīng)過(guò)窄帶濾波、放大后輸出。頻率源方案框圖如圖2所示。

圖2 頻率源方案框圖Fig.2 Block diagram of the frequency synthesizer

頻率源采用溫補(bǔ)晶振作為內(nèi)部參考源。與恒溫晶振相比,雖然溫補(bǔ)晶振在相位噪聲、溫度穩(wěn)定度和老化率等指標(biāo)上處于劣勢(shì),但是基于本項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,系統(tǒng)更看重的是對(duì)功耗、尺寸和開機(jī)穩(wěn)定時(shí)間的要求,而不是一味追求高性能指標(biāo),因此本項(xiàng)目的參考源選用溫補(bǔ)晶振更為適合。溫補(bǔ)晶振不僅給各頻率源提供輸入?yún)⒖夹盘?hào),還作為時(shí)鐘信號(hào)提供給接收機(jī)監(jiān)控模塊使用。

頻率源中的電源設(shè)計(jì)全部采用了二次穩(wěn)壓處理,接收機(jī)電源模塊提供給頻率源+5 V、+15 V和+24 V 3組電源,在頻率源內(nèi)部進(jìn)行二次穩(wěn)壓,得到+3.3 V、+4.7 V、+12V和+22V 4組電源。二次穩(wěn)壓電路不僅可以得到電壓穩(wěn)定且相對(duì)純凈的直流電源,而且為整機(jī)一級(jí)電源和各模塊二級(jí)電源之間提供了有效隔離。二次電源的選擇,在滿足能夠應(yīng)用與空間環(huán)境的前提下,應(yīng)重點(diǎn)考慮具有足夠的降額因子、低壓差應(yīng)用條件、低噪聲和高抑制比。

遙測(cè)電路是航天電子設(shè)備中的一個(gè)重要組成部分。頻率源內(nèi)包含了5個(gè)主要的遙測(cè)點(diǎn),即一、二、三本振正常,異常遙測(cè)指示電平、參考信號(hào)正常,以及異常遙測(cè)指示電平和模塊內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)。一、二本振由鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn),遙測(cè)信號(hào)可以由PLL器件的鎖定指示信號(hào)得到:該P(yáng)LL器件的鎖定指示管腳在鎖定時(shí)呈現(xiàn)高阻態(tài),失鎖時(shí)呈現(xiàn)低阻態(tài),通過(guò)外部上拉電平即可得到鎖定和失鎖狀態(tài)下的高低電平指示,再將此經(jīng)過(guò)一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)電路后,提供給接收機(jī)監(jiān)控模塊作為遙測(cè)指示電平。三極管驅(qū)動(dòng)電路有兩個(gè)作用,一方面是提供了更大的驅(qū)動(dòng)能力,另一方面實(shí)現(xiàn)了頻率源模塊和監(jiān)控模塊間的電氣隔離,避免PLL器件管腳直接對(duì)外輸出,從而提高電路的安全性。三本振和參考信號(hào)的遙測(cè)指示電平,是對(duì)信號(hào)耦合后采用二極管檢波電路產(chǎn)生的檢波電壓送入比較器,與基準(zhǔn)電壓比較得到,當(dāng)有信號(hào)時(shí)檢波電壓高于基準(zhǔn)電壓,得到遙測(cè)高電平輸出,反之則為低電平。頻率源內(nèi)置模擬溫度傳感器,采集設(shè)備內(nèi)的溫度轉(zhuǎn)換為模擬電壓量,送給監(jiān)控單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度。

3 主要指標(biāo)的分析

3.1 相位噪聲

數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成器在鎖定狀態(tài)下可以認(rèn)為是線性系統(tǒng),圖3為鎖相環(huán)附加噪聲源的系統(tǒng)框圖[2]。

圖3 鎖相環(huán)附加噪聲源的系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of the noise in PLL

應(yīng)用線性疊加原理,將各噪聲源反映到頻率綜合器輸出端的相位噪聲功率譜密度相加,則可得到總的相位噪聲功率譜密度

式中 ,Sr(f)、SPD(f)、SLP(f)、SVCO(f)、So(f)分別為參考晶振、鑒相器、環(huán)路濾波器、VCO、頻綜器輸出的相位噪聲,H(j2πF)為環(huán)路的有效傳輸函數(shù),N為射頻信號(hào)分頻比,R為參考分頻比。式中右邊第一項(xiàng)為環(huán)路的低通輸出相位噪聲譜,第二項(xiàng)為環(huán)路的高通輸出相位噪聲譜。

參考信號(hào)的相位噪聲對(duì)輸出信號(hào)相噪的貢獻(xiàn)計(jì)算如下:

式中,Lr(f)為晶振的相位噪聲。

鑒相器的基底相噪對(duì)輸出信號(hào)相噪的貢獻(xiàn)計(jì)算如下:

式中,LPD(f)為鑒相器的基底相噪,Fc為鑒相頻率。

因此,在環(huán)路帶內(nèi)輸出信號(hào)的相位噪聲L(f)可由下式得到:

基于以上公式,即可計(jì)算出頻率源1和頻率源2的帶內(nèi)相位噪聲,帶外噪聲則主要取決于VCO自身的相噪水平。

3.2 雜散

本頻率源的雜散主要來(lái)自兩部分,PLL的鑒相頻率泄漏和DDS的固有雜散。

抑制PLL的鑒相頻率雜散的有效方法是壓縮PLL環(huán)路濾波器的帶寬,使得鑒相頻率雜散落在環(huán)路帶外,利用PLL自身的低通特性濾除。但是,如果一味降低環(huán)路帶寬,會(huì)帶來(lái)近載頻相位噪聲的惡化以及跳頻時(shí)間的增大,因此環(huán)路帶寬的設(shè)計(jì)需要綜合各指標(biāo)設(shè)計(jì),尋求一個(gè)最佳值。頻率源1的鑒相頻率為1 MHz,為了滿足相位噪聲和跳頻時(shí)間的指標(biāo),環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)在40～70 kHz,但是對(duì)1 MHz鑒相頻率的抑制則不能滿足要求。因此,在環(huán)路濾波器上增加了一LC陷波器電路,設(shè)計(jì)其諧振頻率等于鑒相頻率1 MHz,可以有效抑制鑒相頻率泄漏。但是陷波器的引入會(huì)減小PLL的相位裕量,可能造成環(huán)路的不穩(wěn)定性增大,需要精心設(shè)計(jì)電路參數(shù),在仿真時(shí)將陷波器加入環(huán)路濾波器中,確保相位裕量大于45°,保證電路的穩(wěn)定性。

DDS器件的雜散主要產(chǎn)生于3個(gè)因素:相位截?cái)嗾`差、幅度量化誤差和DAC的非線性[3]。在本方案中,為了盡量簡(jiǎn)化電路,DDS的時(shí)鐘信號(hào)是由DDS內(nèi)部的倍頻器產(chǎn)生,與采用外時(shí)鐘的方案相比,此方案的DDS輸出信號(hào)遠(yuǎn)端雜散分量豐富,抑制度差。之所以選擇此方案,在于頻率源3的輸出信號(hào)頻率低、帶寬窄,通過(guò)合理規(guī)劃DDS時(shí)鐘倍頻次數(shù)和輸出頻率,能夠使雜散頻率成分落在信號(hào)帶外,采用窄帶帶通濾波器可有效抑制雜散。雖然此方案的雜散水平仍不如采用外時(shí)鐘的方案,但是利用DDS內(nèi)部的時(shí)鐘倍頻器可以節(jié)省一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路,大幅度降低系統(tǒng)復(fù)雜度,提高可靠性,實(shí)為本項(xiàng)目最佳方案。

4 可靠性設(shè)計(jì)

為了能夠在空間環(huán)境中長(zhǎng)期可靠工作,航天電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)是一個(gè)重要內(nèi)容,包括元器件降額設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、抗輻照設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、靜電防護(hù)設(shè)計(jì)、抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)等。限于篇幅,本文僅對(duì)頻率源的熱設(shè)計(jì)和抗輻照設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

在真空環(huán)境下,只有熱傳導(dǎo)和熱輻射兩種散熱途徑,且傳導(dǎo)散熱比輻射散熱更為顯著有效。因此熱設(shè)計(jì)著重以導(dǎo)熱的觀點(diǎn)出發(fā),使電路中的熱量盡可能以最短路線傳遞:將功耗大的元器件分散安裝,均勻傳導(dǎo)散熱;選用高導(dǎo)熱系數(shù)材料;減小接觸面之間的接觸熱阻[4]。頻率源中功耗較大的器件主要為DDS和微波分頻器,設(shè)計(jì)PCB時(shí)器件底部焊盤大面積鋪銅接地并與元器件散熱面焊接,在PCB接地焊盤過(guò)孔內(nèi)填充導(dǎo)熱銅柱,加強(qiáng)熱傳導(dǎo)效率。PCB安裝面與盒體大面積接地,并在接觸面墊一層純銦箔,提高接觸面的平整度和光潔度,最大限度降低傳導(dǎo)熱阻。

空間輻射對(duì)電子元器件的影響主要包括電離總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)兩類,單粒子效應(yīng)又包括單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)、單粒子鎖定(SEL)等多種類型[5]。航天產(chǎn)品的抗輻照設(shè)計(jì)選用具有高抗電離總劑量能力和抗單粒子效應(yīng)加固的器件,可以從根本上大幅提高設(shè)備抗輻照能力。但是基于現(xiàn)實(shí)情況,受限于購(gòu)買途徑、工程進(jìn)度要求、研制成本等因素,不可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全部器件具有抗輻照能力,需要采取進(jìn)一步的設(shè)計(jì)措施。例如針對(duì)CMOS器件單粒子鎖定(SEL)效應(yīng),采取電源端限流措施是有效辦法,因?yàn)镃MOS器件產(chǎn)生鎖定需要一定的維持電流,限流可在一定程度上防止鎖定或在鎖定產(chǎn)生后不能維持而解除。限流方式可采用器件電源端增加限流電阻的方法,或?qū)CB設(shè)計(jì)劃分電路模塊分區(qū)使用限流電阻。

5 測(cè)試結(jié)果和結(jié)論

運(yùn)用本文方案設(shè)計(jì)的頻率源產(chǎn)品實(shí)測(cè)結(jié)果如下:寬帶頻率源信號(hào)帶寬優(yōu)于5GHz,頻率步進(jìn)8 MHz,窄帶細(xì)步進(jìn)頻率源帶寬8 MHz,頻率步進(jìn)10 kHz;相位噪聲典型值 -75 dBc/Hz@10 kHz、-80 dBc/Hz@100 kHz,雜散抑制優(yōu)于60 dBc,諧波抑制優(yōu)于40 dBc。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求,通過(guò)了各項(xiàng)可靠性試驗(yàn)考核。

本文介紹了一種應(yīng)用于空間環(huán)境寬帶接收機(jī)中的頻率源,給出了設(shè)計(jì)思路、具體實(shí)施方案和主要技術(shù)指標(biāo)分析,并對(duì)可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述。應(yīng)用本文方案設(shè)計(jì)的頻率源產(chǎn)品,已成功應(yīng)用在工程型號(hào)項(xiàng)目,在軌運(yùn)行良好。本項(xiàng)目的成功設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),對(duì)今后各類星載微波頻率源產(chǎn)品具有良好的借鑒意義。今后努力的方向是在提高頻率源輸出頻率和帶寬的同時(shí),實(shí)現(xiàn)盡可能低的相位噪聲和雜散水平。

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WANG Li-sheng was born in Chengdu,Sichuan Province,in 1981.He received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2003.He is now an engineer.His research concerns microwave frequency source.

Email:cddwls@126.com

Design of a Novel Satellite-borne Wideband Frequency Synthesizer

WANG Li-sheng
(Chengdu Spaceon Electronics Co.,Ltd.,Chengdu 611731,China)

A novel frequency synthesizer is presented for the demand of wideband receiver applied in the complex space environment.PLL(Phase-Locked Loop)and frequency doubling circuits are used to achieve wideband frequency synthesizer,and DDS(Direct Digital Synthesis)is used to realize fine step hopping frequency synthesizer.The design scheme,realization method and the reliability design are introduced in detail.The test result shows the specification of the developed synthesizer meets the requirements.

wideband receiver;satellite-borne frequency synthesizer;PLL;DDS;reliability design

TN74

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.031

1001-893X(2012)06-0984-04

2012-03-27;

2012-05-10

王立生(1981—),男,四川成都人,2003年于電子科技大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要從事微波頻率源的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。