一種高性能Ka頻率綜合器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

孫遠(yuǎn)新，華書一，袁 野，袁泮江

（西安衛(wèi)星測控中心天津測控站 天津 301900）

引 言

在航天測控通信系統(tǒng)尤其是毫米波頻段航天測控通信系統(tǒng)中，變頻是必不可少的重要環(huán)節(jié)。通常情況下變頻都通過使用本振或頻率綜合器（頻綜）輸出一系列控制設(shè)定好的單載波與下行經(jīng)過調(diào)制的載波混頻實(shí)現(xiàn)。本振和頻率綜合器的品質(zhì)對變頻后信號的質(zhì)量影響很大。衡量本振或頻綜的指標(biāo)主要有：諧波抑制和雜散抑制、頻率范圍、頻率分辨率、頻率切換時(shí)間、長期和短期頻率穩(wěn)定度以及相位連續(xù)性等[1]。其中，雜散和相噪是最重要的指標(biāo)。目前，單點(diǎn)頻本振一般都采用鎖相環(huán)倍頻實(shí)現(xiàn)，其性能主要取決于鎖相環(huán)。采用優(yōu)質(zhì)鎖相環(huán)可以使輸出信號的雜散和相噪基本與參考頻率源一致。對于頻綜，一般有直接頻率合成、間接頻率合成、數(shù)字直接頻率合成技術(shù)。當(dāng)前很多系統(tǒng)要求頻率綜合器具有頻率范圍廣、分辨率高、相噪和雜散好等品質(zhì)，單獨(dú)使用其中一種技術(shù)基本無法完成系統(tǒng)要求，需要綜合采用多種頻率合成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)[2]。本文針對某航天測控系統(tǒng)的特殊要求設(shè)計(jì)了一種滿足多種要求的高性能Ka頻率綜合器。

1 頻率設(shè)計(jì)對頻綜的指標(biāo)要求

在某航天測控系統(tǒng)中，需要系統(tǒng)下行鏈路擔(dān)負(fù)航天器測量數(shù)據(jù)傳輸和有效載荷數(shù)據(jù)傳輸雙重任務(wù)，其中測量數(shù)據(jù)傳輸載波中頻頻率工作范圍為70MHz±30MHz，載荷數(shù)據(jù)傳輸載波中頻頻率工作范圍為1200MHz±750MHz，其下行鏈路載波下變頻流程見圖1。由于設(shè)備工作空間、功率和工作環(huán)境的限制，需要盡可能減少設(shè)備冗余，提高設(shè)備工作可靠性和適應(yīng)性。因此，在頻率設(shè)計(jì)時(shí)，測量數(shù)據(jù)載波下變頻鏈路采用了三級變頻方式，載荷數(shù)據(jù)載波下變頻鏈路采用了二級變頻方式。

測量數(shù)據(jù)載波對頻率穩(wěn)定度、諧波和雜散抑制要求較高，而載荷數(shù)據(jù)載波對諧波和雜散抑制、頻率范圍、相位噪聲、頻率響應(yīng)要求較高，因此要求頻綜同時(shí)滿足兩項(xiàng)業(yè)務(wù)的最高指標(biāo)要求，如表1所示。

圖1 下行鏈路載波下變頻流程Fig.1 Carrier down-conversion of the data in down link

表1 頻率合成器指標(biāo)要求Table 1 Parameter requirements of frequency synthesizers

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

分別設(shè)計(jì)參考頻率、兩級頻率綜合器和本振。

2.1 參考頻率產(chǎn)生

參考頻率作為基準(zhǔn)，其質(zhì)量極為重要。單點(diǎn)頻本振和頻率綜合器需要使用100MHz信號作為參考頻率，而頻標(biāo)提供的參考頻率為10MHz，盡管其準(zhǔn)確度高，但經(jīng)過長距離傳輸相噪惡化[3]。恒溫晶振產(chǎn)生的信號具有幅度穩(wěn)定、相位噪聲好、雜散低等優(yōu)點(diǎn)，但是其頻率準(zhǔn)確度稍差。為了使得輸出參考頻率具有優(yōu)秀的相位噪聲、穩(wěn)定的幅度、優(yōu)良的雜散性能和準(zhǔn)確的頻率，本文采用10MHz參考頻率信號作為基準(zhǔn)頻率，利用恒溫晶振產(chǎn)生的100MHz信號作為輸出，經(jīng)過參考鎖相環(huán)，鎖相倍頻到100MHz，再經(jīng)功分后送給其它模塊鎖相環(huán)作為參考頻率。100MHz參考頻率產(chǎn)生框圖見圖2。

圖2 參考信號產(chǎn)生Fig.2 Reference signal generation

2.2 L頻段本振

L頻段單點(diǎn)頻本振由簡單的整數(shù)分頻鎖相環(huán)直接產(chǎn)生。100MHz的參考信號被分頻為10MHz 后作為鎖相環(huán)的參考頻率。這里不直接使用外部10MHz作為參考頻率的原因是外部10MHz信號經(jīng)長距離傳輸后相噪會(huì)惡化，如果再進(jìn)行一次鎖相則需要額外增加器件，在空間布局和供電上會(huì)增加設(shè)備的復(fù)雜度，同時(shí)還會(huì)引起電磁環(huán)境惡化而導(dǎo)致雜散等問題[4]。L頻段本振產(chǎn)生如圖3所示。在鎖相環(huán)中，壓控振蕩器輸出的信號經(jīng)功分器分出一路送分頻器，分頻器進(jìn)行113次分頻后送入鑒相器鑒相，鑒相信號經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后控制壓控振蕩器，使壓控振蕩器輸出的信號趨于穩(wěn)定，完成環(huán)路頻率的鎖定。功分器分出的另一路信號經(jīng)放大濾波后，輸出1130MHz的L頻段本振信號。

圖3 L頻段本振產(chǎn)生Fig.3 L-band local oscillation signal generation

2.3 S頻段頻綜

本方案中S頻段頻綜需要實(shí)現(xiàn)3.3GHz~3.6GHz的頻寬和10kHz的步進(jìn)，帶寬達(dá)300MHz，單一的頻率合成方案無法實(shí)現(xiàn)，本文綜合采用數(shù)字合成、正交混頻、鎖相環(huán)等多種技術(shù)。

DDS（Direct Digital Synthesizer）具有捷變速度快（可達(dá)納秒級）、頻率和相位分辨率高、相位連續(xù)、可輸出正交信號、可以產(chǎn)生任意波形、帶調(diào)制功能、全數(shù)字控制單片集成等優(yōu)點(diǎn)[5]，所以在本設(shè)計(jì)中使用DDS實(shí)現(xiàn)精密步進(jìn)控制。但是DDS輸出頻率低、帶寬窄、雜散大，所以為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，S頻段頻綜還采用了正交混頻+跟蹤鎖相環(huán)技術(shù)[6]。

本方案使用了3個(gè)鎖相環(huán)。第一個(gè)鎖相環(huán)的功能是實(shí)現(xiàn)頻率范圍250 MHz~300MHz、步進(jìn)10MHz信號的鎖頻輸出，為DDS提供參考。DDS步進(jìn)為5kHz，頻率范圍為10MHz~60MHz。受DDS輸出信號帶寬的限制，本振鎖相環(huán)需要跳頻才能實(shí)現(xiàn)300MHz帶寬，且本振鎖相環(huán)跳頻步進(jìn)應(yīng)覆蓋DDS輸出信號帶寬。輸出信號的相位噪聲由本振環(huán)決定，如果采用寬帶VCO，則由于VCO輸出信號相位噪聲相對較差，會(huì)影響輸出信號的相位噪聲，因此在設(shè)計(jì)時(shí)通過兩個(gè)窄帶VCO切換來保證輸出信號具有良好的相位噪聲。一個(gè)是1700MHz的介質(zhì)壓控振蕩器[7]，另一個(gè)是1750MHz的介質(zhì)壓控振蕩器。這兩個(gè)VCO分時(shí)工作，當(dāng)需要高頻輸入時(shí)，采用1750MHz介質(zhì)壓控振蕩器；當(dāng)需要低頻輸入時(shí)，采用1700MHz介質(zhì)壓控振蕩器。本振鎖相環(huán)輸出信號與DDS輸出信號進(jìn)行正交混頻。利用正交混頻器相位正交的特性可以使得鏡像信號和有用信號分開，并且當(dāng)本振頻率或射頻信號頻率發(fā)生改變時(shí)，改變后的鏡像信號也能夠被抑制掉。這樣就實(shí)現(xiàn)了寬頻帶、低相噪和高鏡頻抑制的精密步進(jìn)控制。跟蹤鎖相環(huán)主要用于實(shí)現(xiàn)倍頻和鎖頻功能，使輸出頻率達(dá)到要求，同時(shí)又進(jìn)一步降低了相噪[8]。S頻段頻綜設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 S頻段頻綜設(shè)計(jì)Fig.4 Design of S-band frequency synthesizer

2.4 Ku頻段頻綜

Ku頻段頻綜頻率高（13.7GHz~16.4GHz）、步進(jìn)大，相噪要求高。為了實(shí)現(xiàn)300MHz的步進(jìn)，本文采用了混頻鎖相環(huán)方案。介質(zhì)諧振器（PDRO）以100MHz為參考輸出5GHz信號，經(jīng)過濾波放大后與主環(huán)中的信號混頻。主環(huán)中參與混頻的信號由VCO輸出，頻率為6.85GHz~8.2GHz，經(jīng)過耦合器耦合、隔離器隔離后參與混頻。該隔離器的作用主要是增加反饋隔離度，提高雜散抑制。混頻后的信號頻率為1.85GHz~3.2GHz，經(jīng)過放大濾波后，再進(jìn)行37~64分頻，鑒相器將分頻后的信號與參考信號2分頻后的信號進(jìn)行鑒相。鑒相產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)低通濾波器濾波后控制VCO，輸出頻率準(zhǔn)確的信號。耦合器耦合出的另一路信號倍頻后通過隔離器，再經(jīng)過放大濾波，最后輸出13.7GHz~16.4GHz的信號，供混頻器混頻使用。這里隔離器的作用主要是改善輸出端口的駐波，防止反射信號進(jìn)入而影響輸出頻率的純度[9]。Ku頻段頻綜設(shè)計(jì)見圖5。

圖5 Ku頻段頻綜設(shè)計(jì)Fig.5 Design of Ku-band frequency synthesizer

3 測試結(jié)果

為了驗(yàn)證方案的實(shí)際效果，對頻率合成器進(jìn)行了測試，選擇L本振、S頻綜的3.5GHz和Ku頻綜的15.8GHz的雜散和相噪[10]進(jìn)行了測試。測試使用的頻譜儀為Agilent X系列的N9030A，對10MHz參考頻率的相噪以及各頻率合成器進(jìn)行了多次測試，選取了每個(gè)項(xiàng)目各次最差測試結(jié)果，列于表2。圖6~圖8為頻譜儀測得的最差相噪和雜波抑制結(jié)果，圖中標(biāo)記點(diǎn)1~5分別對應(yīng)10Hz、100Hz、1kHz、10kHz和100kHz。

表2 參考信號和頻率合成器性能實(shí)際測試結(jié)果Table 2 Test results of reference signal and frequency synthesizers

圖6 1130MHz本振相噪測試結(jié)果Fig.6 Phase noise test results of 1130MHz local oscillation

圖7 S頻綜3.5GHz相噪測試結(jié)果Fig.7 Test results of phase noise at 3.5GHz for S-band frequency synthesizer

從測試結(jié)果看，單點(diǎn)頻本振和各頻率綜合器在相噪和雜波抑制指標(biāo)上都要優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)方案中，將鎖相倍頻后產(chǎn)生的100MHz信號作為頻率合成器的參考信號，共使用了5次，其中4次是分頻后使用的，1次是直接使用。顯然，分頻后使用對設(shè)備復(fù)雜度要求要比分別進(jìn)行倍頻鎖相低得多，而且對相噪和雜散基本沒有影響，節(jié)約了成本，降低了設(shè)備復(fù)雜度，特別適用于對空間布局和電磁環(huán)境要求較高、供電困難的場合。本文在S頻綜的設(shè)計(jì)上使用了3個(gè)鎖相環(huán)和1個(gè)正交混頻器，尤其在本振鎖相環(huán)中采用分時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)了頻率的精密步進(jìn)和優(yōu)秀的相噪性能。本文在Ku頻綜設(shè)計(jì)上使用了混頻鎖相環(huán)方案，根據(jù)各級特點(diǎn)和要求對頻率合成器采用了合理的設(shè)計(jì)，最后達(dá)到了滿意的效果。

圖8 Ku頻綜15.8GHz相噪測試結(jié)果Fig.8 Test results of phase noise at 15.8GHz for Ku-band frequency synthesizer