一款K 及KU 波段混頻環(huán)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫高勇，張加程，任浩銘

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

0 引 言

頻率源廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信等收發(fā)系統(tǒng)，其指標(biāo)的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。按照頻率的產(chǎn)生方式，頻率源可分為鎖相式頻率源和直接合成式頻率源。直接合成式頻率源主要采用倍頻和混頻方式產(chǎn)生，在相位噪聲指標(biāo)方面有明顯優(yōu)勢[1]。相位噪聲是頻率合成器的一個(gè)極為重要的指標(biāo)，降低相位噪聲是頻率合成器的主要設(shè)計(jì)任務(wù)[2]。為滿足電子系統(tǒng)對(duì)低相位噪聲、低雜散、小頻率步進(jìn)以及小體積的要求，設(shè)計(jì)并制作了一款K 及KU 波段混頻環(huán)，最終實(shí)物測試性能優(yōu)良。

1 方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一款K 及KU 波段混頻環(huán)，輸出頻率為16 ～20 GHz，步進(jìn)頻率為100 MHz，相位噪聲為-111 dBc/Hz@1 kHz， 雜散為-60 dBc， 體積為48 mm×40 mm×10 mm。該混頻環(huán)主要包括主環(huán)和副環(huán)，主環(huán)的功能為產(chǎn)生16 ～20 GHz、步進(jìn)為100 MHz的本振信號(hào)；副環(huán)的功能為產(chǎn)生14 ～17 GHz、步進(jìn)為1 GHz 的射頻信號(hào)?；祛l環(huán)通過將信號(hào)從高頻段混頻到低頻段進(jìn)行鎖相的方式來降低相位噪聲。

1.1 低相位噪聲設(shè)計(jì)

混頻環(huán)的原理框架如圖1 所示，其相位噪聲主要由主環(huán)相位噪聲、副環(huán)相位噪聲綜合決定。一般綜合考慮頻率步進(jìn)、相位噪聲、頻率切換時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)，通過設(shè)計(jì)主環(huán)環(huán)路帶寬來滿足混頻環(huán)的遠(yuǎn)近端相位噪聲。

圖1 混頻環(huán)的原理框架

該混頻環(huán)內(nèi)部的頻率變換關(guān)系如表1 所示，其中f中頻信號(hào)=f本振信號(hào)-f射頻信號(hào)。主環(huán)信號(hào)作為混頻的本振信號(hào)，副環(huán)信號(hào)作為混頻的射頻信號(hào)，混頻環(huán)通過16 ～20 GHz 主環(huán)信號(hào)與14 ～17 GHz 副環(huán)信號(hào)混頻到2 ～3 GHz 的中頻頻段進(jìn)行鎖相，降低相位噪聲。

表1 混頻環(huán)內(nèi)部的頻率變換關(guān)系

1.1.1 副環(huán)電路低相位噪聲設(shè)計(jì)

混頻環(huán)通過2 級(jí)梳譜的方式產(chǎn)生副環(huán)信號(hào)，即100 MHz 輸入信號(hào)經(jīng)過1 級(jí)梳譜、濾波、放大后產(chǎn)生1 GHz 信號(hào)，1 GHz 信號(hào)再經(jīng)過另外1 級(jí)梳譜、濾波、放大后產(chǎn)生14 ～17 GHz、步進(jìn)為1 GHz 的信號(hào)。

在頻率源中，利用梳譜信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的各次諧波，通過頻率合成可得到點(diǎn)數(shù)很多的穩(wěn)定頻率輸出，應(yīng)用到雷達(dá)、通信、測量遙控以及儀器中[3]。從實(shí)現(xiàn)梳狀譜倍頻的方法上來看，由早期的非線性電阻二極管倍頻發(fā)展到晶體三極管、變?nèi)荻O管、階躍恢復(fù)二極管倍頻等。階躍恢復(fù)二極管是對(duì)PN 結(jié)材料和結(jié)構(gòu)采取特殊措施而設(shè)計(jì)的一種電容開關(guān)或變?nèi)莨?。在外加大信?hào)交流電壓的激勵(lì)下，階躍二極管呈現(xiàn)2 種阻抗?fàn)顟B(tài)，具有電容開關(guān)特性[4]。該產(chǎn)品中的梳譜電路原理為利用階躍二極管的非線性特點(diǎn)產(chǎn)生豐富的諧波，達(dá)到倍頻的目的。副環(huán)輸出頻率為17 GHz時(shí)，相位噪聲最差，仿真曲線如圖2 所示，相位噪聲為-114 dBc/Hz@1 kHz。

1.1.2 主環(huán)電路低相位噪聲設(shè)計(jì)

壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）產(chǎn)生的16 ～20 GHz 信號(hào)分為2 路，一路經(jīng)過放大輸出，另外一路經(jīng)過放大后作為混頻器的本振信號(hào)，與副環(huán)信號(hào)混頻到2 ～3 GHz 頻段進(jìn)行鎖相。其中VCO采用GaAs HBT 工藝，具有閃爍噪聲低和熱穩(wěn)定好的特點(diǎn)[5]。

主環(huán)采用數(shù)字鎖相方式，用于數(shù)字鎖相的鑒相器在整數(shù)普通模式下具有-230 dBc/Hz 的歸一化相位噪聲；采用100 MHz 鑒相頻率，混頻環(huán)輸出為20 GHz 時(shí)相位噪聲最差，如圖3 所示，其值為-112dBc/Hz@1 kHz。

圖3 主環(huán)相位噪聲仿真曲線

1.2 低雜散設(shè)計(jì)

混頻環(huán)雜散按照傳輸路徑，主要分為鏈路上產(chǎn)生的雜散、空間串?dāng)_產(chǎn)生的雜散。

1.2.1 鏈路上產(chǎn)生的雜散優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了優(yōu)化鏈路上產(chǎn)生的雜散，主要采取以下幾種措施。選擇本振射頻隔離度高、混頻雜散特性合適的混頻器；主環(huán)信號(hào)經(jīng)過放大器后作為混頻器的本振，用放大器反向隔離副環(huán)信號(hào)；主環(huán)信號(hào)與副環(huán)信號(hào)混頻后，通過低通濾波器濾除高頻分量，再取其差頻作為主環(huán)鑒相器的射頻信號(hào)；綜合相位噪聲、頻率切換時(shí)間等指標(biāo)，采用4 級(jí)有源環(huán)，并選取合適的環(huán)路帶寬，降低鑒相泄露；對(duì)各器件供電電源進(jìn)行充分的隔離濾波，防止電源串?dāng)_。

1.2.2 空間串?dāng)_產(chǎn)生的雜散優(yōu)化設(shè)計(jì)

混頻環(huán)內(nèi)部同時(shí)存在主環(huán)信號(hào)、副環(huán)信號(hào)、中頻信號(hào)，需要對(duì)不同的信號(hào)進(jìn)行隔離處理，防止不同信號(hào)空間串?dāng)_。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通過壓框?qū)⒅鳝h(huán)信號(hào)、副環(huán)信號(hào)、中頻信號(hào)進(jìn)行分腔，并且每個(gè)隔腔進(jìn)行單獨(dú)封蓋處理，減小不同信號(hào)空間串?dāng)_。

2 測試結(jié)果

混頻環(huán)的測試結(jié)果如圖4 所示。由測試結(jié)果可知，該混頻環(huán)的輸出頻率為16 ～20 GHz，步進(jìn)頻率為100 MHz，相位噪聲為-111 dBc/Hz@1 kHz，雜散為-60 dBc。其中，混頻環(huán)-111 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪聲實(shí)測值較圖3 中主環(huán)-112 dBc/Hz@1 kHz的相位噪聲仿真值惡化1 dB，這是由于圖2 中副環(huán)-114 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪聲未優(yōu)于圖3 中主環(huán)-112 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪聲6 dB 以上，混頻過程相位噪聲惡化導(dǎo)致的，后續(xù)可根據(jù)測試結(jié)果優(yōu)化副環(huán)相位噪聲。

圖4 混頻環(huán)測試結(jié)果

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)研制的混頻環(huán)，輸出頻率為16 ～20 GHz，步進(jìn)頻率為100 MHz，相位噪聲為-111 dBc/Hz@1 kHz，雜散為-60 dBc，能夠電子系統(tǒng)的低相位噪聲低雜散應(yīng)用需求。后續(xù)根據(jù)測試結(jié)果，將進(jìn)一步優(yōu)化相位噪聲。