一種L波段小步進(jìn)低相噪跳頻頻率源的設(shè)計(jì)

王 敏

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，頻率源在電子設(shè)備中大量使用，發(fā)揮的作用也越來(lái)越重要，振蕩器漸漸不能滿足人們對(duì)頻率源的需求，合成頻率成為解決頻率源需求問(wèn)題的最佳途徑。頻率合成理論大約形成于20世紀(jì)30年代，發(fā)展至今已經(jīng)歷了幾次大的技術(shù)變革，大致可分成直接頻率合成、間接頻率合成（鎖相頻率合成）、直接數(shù)字頻率合成3種[1]。合成頻率源是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其相位噪聲和雜散性能等技術(shù)指標(biāo)在很大程度上影響甚至決定著電子系統(tǒng)的性能。目前，微波合成頻率源已在通信、雷達(dá)、航天航空、電子對(duì)抗以及遙測(cè)遙控等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

總之，現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，頻率源作為射頻通信系統(tǒng)的核心部件，對(duì)系統(tǒng)總體性能有著重要的影響。隨著通信技術(shù)要求的不斷提高，對(duì)頻率源的綜合性能要求也越來(lái)越高。小步進(jìn)、低雜波和低相噪是頻率源發(fā)展的重要趨勢(shì)[2]。而各種頻率合成技術(shù)則各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)在的頻綜發(fā)展趨勢(shì)是將幾種方法組合使用，從而得到技術(shù)指標(biāo)更高的頻率源[3,4]。本文提出了一種DDS+PLL分段混頻分段濾波的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合了各種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了較高的指標(biāo)要求。

1 方案設(shè)計(jì)

本文所述的頻率源工作頻率為L(zhǎng)波段，指標(biāo)要求如下：頻率帶寬為220 MHz；10 kHz處的相位噪聲≤-100 dBc/Hz；雜波抑制≥65 dB；頻率的步進(jìn)間隔為12.5 kHz。

1.1 輸出頻段和小步進(jìn)跳頻的實(shí)現(xiàn)

因?yàn)橹笜?biāo)中的小步進(jìn)跳頻要求，所以設(shè)計(jì)了用DDS的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)部分功能。DDS又稱(chēng)為直接數(shù)字頻率合成，這種方案的優(yōu)點(diǎn)包括極小的頻率步進(jìn)、超高的變頻速率、低相位噪聲等。DDS因?yàn)樽陨碓O(shè)計(jì)原理的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用到小步進(jìn)頻率源的設(shè)計(jì)中[5]。但是DDS也有其自身的缺點(diǎn)，如工作頻率受限，一般在幾十MHz到幾百M(fèi)Hz；由于全數(shù)字結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和自身實(shí)現(xiàn)原理決定輸出信號(hào)的雜散比較大。

因?yàn)镈DS的局限性難以達(dá)到指標(biāo)要求中的頻段要求，所以考慮DDS和固定本振混頻的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。即采取有一定帶寬DDS的輸出與固定本振進(jìn)行混頻，從而使混頻后頻率輸出實(shí)現(xiàn)頻段搬移，滿足了輸出L波段的指標(biāo)要求。又因?yàn)槭荄DS輸出作混頻的IF輸入方案可以滿足輸出小步進(jìn)的要求，從而滿足了指標(biāo)中的頻段、小步進(jìn)的要求。

本文選取了DDS輸出雜波較好的200 MHz以下的波段來(lái)作為DDS的輸出信號(hào)，再與L波段的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，并且選了混頻本振之一來(lái)給DDS作參考時(shí)鐘，最終得到了L波段的RF輸出，并可以滿足指標(biāo)中12.5 kHz的頻率步進(jìn)指標(biāo)要求。

1.2 輸出帶寬及雜散指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)指標(biāo)要求，輸出信號(hào)需要同時(shí)滿足帶寬220 MHz以及雜波抑制在65 dB以上。因?yàn)橐_(dá)到較高的雜波抑制指標(biāo)，所以混頻后的輸出信號(hào)要選取合適的濾波器來(lái)濾波。本文選取了表貼型國(guó)產(chǎn)介質(zhì)濾波器，又因?yàn)榭紤]到該濾波器在L波段的抑制帶寬為60～70 MHz，所以需要分段濾波。本文中既要考慮到DDS的最優(yōu)輸出頻段，又要考慮到帶寬和雜散抑制的指標(biāo)，最終采取了DDS通過(guò)微波開(kāi)關(guān)選擇4個(gè)固定本振源中的一個(gè)來(lái)進(jìn)行分段混頻，混頻后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)濾波器組進(jìn)行4段式分段濾波的方案。該方案可實(shí)現(xiàn)指標(biāo)中對(duì)帶寬和雜散的要求。結(jié)合小步進(jìn)跳頻部分的原理，本產(chǎn)品的混頻及開(kāi)關(guān)濾波部分的原理如圖1所示。

圖1 混頻及開(kāi)關(guān)濾波部分原理

1.3 本振源和相位噪聲指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

4個(gè)固定點(diǎn)頻本振源的實(shí)現(xiàn)本文采用了鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)，采用鑒相器、壓控振蕩器以及無(wú)源環(huán)路濾波器組成的鎖相環(huán)路，鎖相本振源部分的原理如圖2所示。

圖2 鎖相本振源部分原理

本文選用的鑒相器具有較寬的工作帶寬，非常低的相位噪聲和較寬的工作溫度范圍。同時(shí)為了滿足指標(biāo)中較高的相位噪聲指標(biāo)要求，壓控振蕩器選用了相位噪聲較好的表貼封裝型國(guó)產(chǎn)介質(zhì)壓控振蕩器，該器件在10 kHz處的相位噪聲可達(dá)-122 dBc/Hz左右。相位噪聲經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)路以及混頻濾波以后，經(jīng)檢驗(yàn)仍然能達(dá)到-112～104 dBc/Hz的水平，滿足了指標(biāo)要求。

2 電路調(diào)試與測(cè)試

電路調(diào)試第一步要加電，加電前先用萬(wàn)用表的歐姆檔測(cè)量一下電源是否有短路隱患。切記要先連接好地線再加電源線。加電過(guò)程中如果有電流激增等現(xiàn)象時(shí)應(yīng)立即斷電排查故障，待故障排除后再次上電。

上電后首先要測(cè)試4個(gè)點(diǎn)頻的本振鎖相環(huán)是否正常鎖定，若鎖相環(huán)沒(méi)有正常鎖定，則依次檢查參考頻率、環(huán)路、VCO，并排除故障，最終要保證點(diǎn)頻源順利鎖定。其次測(cè)試DDS周?chē)娐肥欠衿ヅ湔?，以便于DDS可以正常輸出頻率。再次檢查混頻器的匹配電路是否合適，要保證混頻器可以正常工作輸出頻率。最后變換輸出頻率來(lái)檢查開(kāi)關(guān)濾波器組是否能正常選擇開(kāi)關(guān)，以便于正常濾除雜波。

組件正常輸出頻率后，使用相位測(cè)試儀測(cè)試相位噪聲是否滿足指標(biāo)。若相噪不滿足指標(biāo)，則需微調(diào)一下鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬值。測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)25 kHz左右有個(gè)突起的相位噪聲包。本頻率源在相位調(diào)試過(guò)程中，剛開(kāi)始選用了帶寬為30～40 kHz的環(huán)路濾波器。為了消除該相位噪聲包，進(jìn)行了鎖相環(huán)帶寬的多次嘗試，依次試過(guò)15 kHz、10 kHz、7 kHz的環(huán)路帶寬濾波器，發(fā)現(xiàn)濾波器環(huán)路帶寬選為7 kHz時(shí)的相位噪聲包完全消失，相位指標(biāo)測(cè)試在-112～104 dBc/Hz的水平，完全滿足了指標(biāo)要求。所以該電路最終選擇了7 kHz作為環(huán)路濾波器的帶寬值。

將輸出信號(hào)連至頻譜儀，測(cè)試雜波是否滿足指標(biāo)要求。剛開(kāi)始測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)本振抑制不滿足雜波指標(biāo)，調(diào)試采用了降低本振信號(hào)進(jìn)入混頻器的功率的方法來(lái)減小本振抑制，將本振頻率源的功率從-5 dBm降低至-10 dBm，此時(shí)本振抑制優(yōu)化至指標(biāo)要求臨界值附近，后又在混頻后的微帶線上增加了低通濾波器的設(shè)計(jì)，從而使本振抑制指標(biāo)大為改善，達(dá)到75 dB左右，滿足指標(biāo)要求。經(jīng)過(guò)不斷地調(diào)試改進(jìn)，各項(xiàng)指標(biāo)最終測(cè)試結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3 結(jié) 論

本文介紹了一種DDS+PLL分段混頻分段濾波的頻率源設(shè)計(jì)方案。主要是采用了DDS與固定本振點(diǎn)頻源進(jìn)行混頻的方法，滿足了頻段要求，并實(shí)現(xiàn)了小步進(jìn)、低相噪跳頻頻率源的功能。又因?yàn)椴捎昧碎_(kāi)關(guān)選擇多本振源以及開(kāi)關(guān)濾波器組的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了帶寬和雜波抑制的指標(biāo)要求。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該組件產(chǎn)品各指標(biāo)性能良好，并已實(shí)現(xiàn)了批產(chǎn)。