一種Ku波段寬帶低相噪頻率合成器研制

魯長來，汪　煒，謝　遲

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥 230088)

0　引　言

小型周界監(jiān)視雷達(dá)設(shè)備主要用于監(jiān)視、跟蹤用戶關(guān)注區(qū)域范圍內(nèi)地面以及近地高度空間上的行人、車輛、飛行器等各型入侵目標(biāo)活動情況并適時發(fā)出安全告警信號?；谡{(diào)頻連續(xù)波體制的頻掃周界監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)一方面需要很好的雜波中可見度指標(biāo)特性以保證雷達(dá)在地面或環(huán)境強(qiáng)雜波下的小信號目標(biāo)提取能力，另一方面也需要較寬的工作頻率范圍以保證空間波束頻掃覆蓋能力。而雷達(dá)系統(tǒng)要實現(xiàn)這些功能就必須對整機(jī)指標(biāo)進(jìn)行分解，落實到系統(tǒng)中的各個設(shè)備環(huán)節(jié)中去，具體體現(xiàn)到對頻率源設(shè)備的技術(shù)要求主要包括低相噪、寬帶、頻率步進(jìn)跳變、低雜散等性能指標(biāo)項。在工程實踐中設(shè)計人員不僅要考慮各項技術(shù)指標(biāo)要求的滿足情況，還要考慮選擇一種相對優(yōu)秀的頻率合成方案，以期獲得產(chǎn)品的最佳性價比。

1　技術(shù)要求

頻率范圍：13.18～14.68 GHz，1.5 GHz帶寬

跳頻步進(jìn)：20 MHz，共76個頻點

輸出功率：+12 dBm±1.5 dB

相位噪聲：≤-110 dBc/Hz@1 kHz，≤-113 dBc/Hz@100 kHz，≤-122 dBc/Hz@1 MHz

雜散抑制：≥85 dB(10 MHz帶內(nèi))，≥70 dB(10 MHz帶外)

跳頻時間：≤500 μs

2　方案選擇

針對文中給出的某型Ku波段小型周界監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)頻率合成器的技術(shù)要求，如果采用全模擬直接合成方法會導(dǎo)致大量的硬件消耗且代價高昂，而采用整數(shù)直接分頻鎖相合成方法雖然硬件簡單但又會面臨很大的技術(shù)指標(biāo)實現(xiàn)風(fēng)險。圖1中給出的一種基于小數(shù)分頻鎖相環(huán)[1]的合成方案，采用在80 MHz參考信號頻率(R=1)上直接鑒相，既能降低環(huán)路分頻比，又可以保證輸出信號的跳頻步進(jìn)要求，電路也很簡單，但輸出信號相噪的近區(qū)(偏離載頻1 kHz左右)由于受到器件閃爍噪聲特性的影響根本達(dá)不到-110 dBc/Hz的指標(biāo)，相噪的中遠(yuǎn)區(qū)(偏離載頻100 kHz左右)也受到器件平底白噪聲的限制無法達(dá)標(biāo)，而且13.18～14.68 GHz的寬帶VCO指標(biāo)受限也直接限制了輸出信號相噪的遠(yuǎn)區(qū)(偏離載頻1 MHz左右)指標(biāo)。這時，即使參考源相噪很好也起不到任何改善作用，其典型相噪測試曲線如圖2所示。

圖3給出了一種基于混頻鎖相環(huán)的合成方案。圖中，PLL1保證20 MHz的跳頻步進(jìn)功能，PLL2保證100 MHz的跳頻步進(jìn)功能，采用環(huán)內(nèi)混頻、整數(shù)分頻鎖相電路直接產(chǎn)生一個S波段1.5 GHz全頻帶帶寬的跳頻頻標(biāo)，然后利用介質(zhì)振蕩取樣鎖相環(huán)產(chǎn)生X波段單點頻頻標(biāo)，經(jīng)過頻譜搬移至13.18～14.68GHz頻帶上。PLL1與PLL2組合達(dá)到了降低鎖相分頻比和寬帶跳頻的目的，但也存在PLL2分頻比跨度過大、環(huán)內(nèi)寬帶混頻虛假抑制不夠帶來的相噪一致性差和環(huán)路穩(wěn)定性等系列問題。S波段寬帶VCO指標(biāo)受限造成輸出信號相噪的遠(yuǎn)區(qū)(偏離載頻1 MHz左右)指標(biāo)不夠，中近區(qū)相噪指標(biāo)也臨界，其典型相噪測試曲線如圖4所示。

顯然，圖1和圖3的合成方案無法支撐本案中的技術(shù)要求實現(xiàn)。圖5采用了一種三級鎖相頻標(biāo)法合成方案，是在圖3的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，改進(jìn)思路包括將環(huán)內(nèi)混頻移至環(huán)外、降低低頻頻標(biāo)鎖相分頻比、合理分配各級頻標(biāo)帶寬等舉措。圖中，PLL1產(chǎn)生1.9～2.4 GHz、步進(jìn)100 MHz的信號，再5分頻得到0.38～0.48 GHz、步進(jìn)20 MHz的P波段頻標(biāo)信號。PLL2產(chǎn)生1.5～2 GHz、步進(jìn)100 MHz的L波段頻標(biāo)信號，經(jīng)與P波段頻標(biāo)混頻后可得到1.88～2.48 GHz、步進(jìn)20 MHz的S波段跳頻信號。PLL3通過介質(zhì)振蕩取樣鎖相環(huán)產(chǎn)生11.9 GHz的點頻信號，與100 MHz恒溫晶振6倍頻產(chǎn)生的600 MHz點頻信號混頻產(chǎn)生上、下邊帶兩個頻點信號，與11.9 GHz信號一起送開關(guān)濾波器選擇輸出得到11.3～12.5 GHz、步進(jìn)600 MHz的X波段頻標(biāo)信號。最后將S波段跳頻信號與X波段頻標(biāo)信號混頻合成形成最終13.18～14.68 GHz、步進(jìn)20 MHz的Ku波段信號輸出。

3　性能分析

3.1　相噪分析

圖5中Ku波段13.18～14.68 GHz合成信號的相位噪聲指標(biāo)主要決定于P波段頻標(biāo)、L波段頻標(biāo)以及X波段頻標(biāo)的相噪性能[2]，其他各級混頻、放大濾波電路的噪聲影響情況基本可以通過噪聲加性原理[3]大致估算。方案中采用100 MHz恒溫晶振作為整機(jī)參考源，其相噪指標(biāo)為-157 dBc/Hz@1 kHz，-168 dBc/Hz@100 kHz，-170 dBc/Hz@1 MHz，PLL1中器件噪聲基底約為-148 dBc/Hz，以最高24倍鎖相倍頻噪聲惡化來估算，PLL1輸出信號1.9～2.4 GHz的相噪可以達(dá)到-118dBc/Hz@1 kHz，-119 dBc/Hz@100 kHz，-132 dBc/Hz@1 MHz，其中遠(yuǎn)區(qū)1 MHz相噪主要是由VCO器件決定的。方案中5分頻器器件噪聲基底約為-145 dBc/Hz。這樣考慮分頻器的噪聲改善效果[4]，最終P頻標(biāo)0.38～0.48 GHz輸出信號的相噪水平可達(dá)-130 dBc/Hz@1 kHz，-131 dBc/Hz@100 kHz，-140 dBc/Hz@1 MHz。PLL2的噪聲性能與PLL1相當(dāng)，輸出的L波段頻標(biāo)1.5～2 GHz信號相噪可達(dá)到-118 dBc/Hz@1 kHz，-120 dBc/Hz@100 kHz,-132 dBc/Hz@1 MHz。PLL3中介質(zhì)振蕩取樣鎖相環(huán)輸出11.9 GHz信號的相噪可達(dá)到-113 dBc/Hz@1 kHz，-120 dBc/Hz@100 kHz，-128 dBc/Hz@1 MHz。 晶振倍頻的600 MHz輸出信號相噪為-138 dBc/Hz@1 kHz，-145 dBc/Hz@100 kHz，-150 dBc/Hz@1 MHz,所以混頻產(chǎn)生的X波段頻標(biāo)11.3～12.5 GHz相噪基本等同于PLL3的輸出信號噪聲水平。綜合P頻標(biāo)、L頻標(biāo)、X頻標(biāo)信號的相噪分布情況可得出合成后的Ku波段信號相噪指標(biāo)可達(dá)到-112 dBc/Hz@1 kHz，-116 dBc/Hz@100 kHz，-126dBc/Hz@1 MHz，其中L頻標(biāo)和X頻標(biāo)的噪聲貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位。

3.2　雜散分析

本案中Ku波段合成信號的雜散分布主要來源于P、L、X三級頻標(biāo)信號本身以及混頻電路的非線性固有特性。圖5中PLL1、PLL2、PLL3均采用100 MHz高速鑒相器、整數(shù)倍頻工作。這里鎖相環(huán)電路的雜散主要來自于鑒相器的參考信號調(diào)制泄露，而這類雜散基本可以通過環(huán)路濾波器的作用控制在75 dB以上，PLL1之后的5分頻器對PLL1的雜散抑制還有一定的改善作用。方案中混頻電路的雜散主要通過頻率窗口設(shè)計、電路線性化設(shè)計、開關(guān)濾波選頻等措施解決。圖中3路開關(guān)濾波放大1電路采用3段濾波器選頻，每段濾波器帶寬設(shè)計為200 MHz，3路開關(guān)濾波放大2電路采用2個點頻窄帶濾波器選頻。整體來看，方案設(shè)計上可以保證Ku波段輸出信號10 MHz帶內(nèi)無雜散分布，10 MHz帶外雜散抑制度不低于75 dB的性能水平。

3.3　寬帶跳頻性能分析

雖然本系統(tǒng)對于輸出信號的跳頻時間指標(biāo)要求不高，但是在設(shè)計上還是要針對指標(biāo)的可實現(xiàn)性進(jìn)行論證，以免技術(shù)狀態(tài)失控。從圖5的方案架構(gòu)上可以看到，真正影響本案跳頻時間性能的環(huán)節(jié)是PLL1和PLL2兩個部分，其他諸如開關(guān)濾波環(huán)節(jié)和時序控制接口電路的累計切換時間都能控制在5 μs以內(nèi)，對系統(tǒng)的影響因素基本可以忽略。PLL1和PLL2電路中器件選擇基本一樣，跳頻性能基本相當(dāng)，考慮到環(huán)路自身的鑒頻鑒相功能、環(huán)路濾波電路參數(shù)配置、VCO穩(wěn)定度等各項影響因素，依據(jù)鎖相環(huán)路經(jīng)典的跳頻時間估算方法[3]得到跳頻時間值約為420 μs左右。

4　測試結(jié)果

依據(jù)圖5技術(shù)方案研制的Ku波段頻率合成器產(chǎn)品經(jīng)過悉心調(diào)試、測試、試驗驗證，目前技術(shù)性能良好。重點針對指標(biāo)要求的合成器輸出信號相位噪聲性能、寬帶工作性能、跳變時間性能以及雜散抑制性能進(jìn)行了工程測試。典型測試結(jié)果曲線見圖6、圖7、圖8、圖9。從曲線中可以看到，13.18～14.68 GHz頻段內(nèi)信號的相位噪聲指標(biāo)達(dá)到了-111 dBc/Hz@1 kHz，≤-114 dBc/Hz@100 kHz，≤-124 dBc/Hz@1 MHz，具有一定的設(shè)計余量，而且各個頻點之間的相噪曲線一致性較好，最長跳頻時間(跳變跨度1.5 GHz)可達(dá)400 μs，遠(yuǎn)區(qū)(10 MHz帶外)雜散抑制可控制在75 dB以上，近區(qū)(10 MHz帶內(nèi))除噪聲以外幾乎沒有離散的雜波信號。

5　結(jié)束語

本方案中綜合采用小分頻比整數(shù)分頻鎖相環(huán)、介質(zhì)振蕩取樣鎖相環(huán)、模擬混頻頻率搬移的途徑合成了Ku波段高性能信號輸出，通過三級可跳鎖相頻標(biāo)產(chǎn)生方案合理分配各級頻標(biāo)帶寬，既保證了最終輸出信號寬帶覆蓋、低相噪、步進(jìn)跳頻、低雜散等技術(shù)指標(biāo)要求，又縮減了硬件設(shè)備量，還有效規(guī)避了應(yīng)用DDS作為步進(jìn)頻標(biāo)帶來的近區(qū)高雜散抑制度難以控制的問題。經(jīng)全面測試驗證，該合成器的性能水平達(dá)到了預(yù)期的研制目標(biāo)，能夠滿足某Ku波段小型周界監(jiān)視雷達(dá)的使用需求。