高性能X波段直接式频综的设计

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1、高 性 能 X 波 段 直 接 式 频 综 的 设 计高 文 英(西安电子工程研究所 西安 710100)【 摘 要 】 介 绍 一 种 X 波 段 直 接 式 频 综 的 设 计 方 案, 对 其 输 出 杂 散 进 行 分 析 , 并给 出 研 制 结 果 , 在 10GH z 的 输 出 频 率 上 , 偏 离 载 频 1kH z 处 的 相 噪 为 - 108dB c H z,杂散优于 - 70dB c, 跳频时间小于 0. 7s, 可捷变 40 个点 。关键词 : 雷达频率源 直接式频率合成 相位噪声 杂散抑制D e s ign of A H igh- perf orm an ce

2、X- ban d D irec tFrequen cy Syn the s izerGao W en y in g(X ia n E lec t ron ic E n g in ee rin g R esea rch I n s t itu te, X ia n 710100)A bstra c t: T h is p ap e r in t ro du ce s de sign o f an X 2b an d d irec t f requ en cy syn th e size r an dp re sen t s th e deve lopm en t re su lt s b a s

3、ed o n th e an a ly sis o f th e o u tp u t sp u r io u s sign a l. T h e syn th e size r h a s a p h a se no ise o f 2108dB c H z a t 1kH z. T h e sp u r io u s sign a l is b e t te r th an- 70dB c, th e f requ en cy hopp in g is le ss th an 0. 7s an d th e re a re 40 po in t s fo r f requ en cy ag

4、 ility.Keyword s: rada r f requ en cy so u rce d irec t f requ en cy syn th e size r p h a se no ise sp u r io u sre jec t io n引 言1现 代 雷 达 的 工 作 环 境 充 满 了 各 种 人 为 干 扰 和 自 然 干 扰, 雷 达 要 在 各 种 复 杂 的 背 景 中 识 别目标, 需要有良好的性能 , 军用雷达尤其如此 。 频率综合器作为现代雷达的重要组成部分 , 其各 项指标对雷达的整机性能都有着重大的影响 。本文所述的直接式频率综合器是为某军用雷达研制的

5、, 根据雷达总体的战技指标要求 , 它 不 仅 要 有 较 高 的 频 率 稳 定 度 , 而 且 对 跳 频 时 间 提 出 了 较 高 的 要 求 , 因 此 , 我 们 采 用 了 全 相 参 直 接式频率合成技术 。技 术 指 标 要 求2输出频率 X 波段第 4 期 高文英 高性能 X 波段直接式频综的设计输出频率带宽频率间隔 跳频点数 捷变频时间 输出功率 输出杂数 输出相噪1 0%30M H z32 点 2s14dBm 1dB- 60dB c1kH z10kH z100kH z1M H z-100dB c H z105dB c H z110dB c H z115dB c H z3

6、 设 计 思 想 与 关 键 技 术3. 1 设计思想由以上技术指标可看出, 总体对频综的要求主要是 : 低的输出相位噪声 , 大的跳频带宽, 快 的 跳频速度, 低的寄生杂散分量 , 尤其是要求跳频时间小于 2s。 由合成原理可知, 直接式频率 综合器的输出相位噪声低, 变频速度快, 因此, 我 们 选 用 了 全 相 参 的 直 接 式 频 率 合 成 方 案 。 所 谓全相参直接式频率合成技术 , 就是用一个参考信号经过倍频 , 分频, 混频, 滤波之后的综合处 理, 同时合成出满足一定间隔要求的频率信号 , 再用电子开关在多个同时存在的信号中合成并 提取出所需的频率和相位极其稳定的频率

7、信号 。3. 2 关键技术直 接 式 频 率 综 合 器 在 合 成 过 程 中, 为 合 成 出 多 个 输 出 频 率 , 要 进 行 多 次 倍 频 、 分 频 与 混 频 处 理, 而 这 些 倍 频 器 、 分 频 器 、 混 频 器 是 多 级 并 存, 用 并 联 或 串 联 的 方 式 级 联 起 来 的 , 频 率 间 隔 越小级联的数量就越多 。对 于 倍 频 器 与 分 频 器 来 讲 , 若 要 求 的 输 出 频 率 一 旦 确 定 , 则 倍 频 与 分 频 值 亦 确 定 , 用 滤 波 器滤除旁频杂散, 即可选出所要的频率 。 这里关键是混频器, 当两个信号进入

8、混频器后, 由于混频 器 的 非 线 性 , 将 产 生 m f1n f2 个 互 调 分 量 频 率 , 其 中 m 和 n 为 正 整 数 1、 2、 3 , f1 和 f2为 混 频 器 输 入 频 率, 在 这 些 分 量 频 率 中, 除 了 f1f2 为 有 用 频 率 信 号 外, 其 它 分 量 均 为 杂 散 。为了将这些杂散电平衰减到所要求的电平以下, 有时要采用多级滤波器, 但滤波器的带宽选择 受到 if1k f2 互调分量的限制, 如果混频比选择不当或混频器输入端的功率电平不合乎要求,有些杂散便会落入滤波器带宽内难以滤除 。 以上只是采用一级混频时的情况, 当采用多极混

9、频器时, 频率合成通路内的交调分量更多 , 频率选择与滤波器带宽选择也更困 难 。 在实践中 , 尽管 用了很多滤波器, 有些交调分量仍然难以滤除 。 因此, 实现高性能直接式频率综合器的关键技 术是杂散抑制 。4 方 案 设 计 与 分 析4. 1 方案设计根据要求 , 我们采用了 S 波段 “插入法” 的直接频 率 合 成 , 3 倍 频 至 X 波 段 的 设 计 方 案 , 其392001 年 12 月 火控雷达技术 第 30 卷原 理框图如图 1 所示 。 所谓 “插入法” 是将一段可跳变小间隔的频率插入到较大间隔的频率中间, 以实现在一定带宽内的多点跳频功能 。 图 1 中 100

10、M H z 高稳定度 、 低相噪晶体振荡器为基 准 参 考 信 号 源 , 该 信 号 经 放 大 、 功 分 、 倍 频 、 分 频 、 混 频 与 滤 波 后 产 生 m 路 基 准 信 号, 频 率 间 隔 为 10M H z, 用两个电子开关对这 m 路频率信号进行切换 , 获得保证跳频间隔的基准频标 。图 1 X 波段直接式频综原理框图从框图中可以看出, 100M H z 晶振功分后 的 输 出 经 谐 波 发 生 器, 直 接 产 生 n 个 s 波 段 的 点 频 信 号 , 频 率 间 隔 为 100M H z, 用 电 子 开 关 进 行 频 率 切 换 , 获 得 保 证

11、S 波 段 跳 频 带 宽 的 微 波 频标 。上 述 的 m 路 基 准 频 标 与 n 个 微 波 频 标 ( 这 里 我 们 选 m = 10, n = 4) , 分 别 经 过 一 个 两 选 一电子开关和四选一电子开关进入 混 频 器 进 行 混 频 ( 将 10 路 跳 频 间 隔 基 准 信 号 分 别 “插 入 ”到 4个 微波频标中去 ) , 就合成出带宽为 390M H z、 间隔为 10M H z、 可跳频 40 (即 104) 个点的 S 波 段微波输出信号, 输出频率的相对带宽为 13. 4% 。由 于 雷 达 总 体 技 术 指 标 要 求 输 出 频 率 在 X

12、波 段 , 所 以 本 方 案 在 S 波 段 直 接 合 成 的 基 础 上, 再 进 行 3 倍 频 滤 波 放 大 , 产 生 X 波 段 的 第 一 本 振 信 号 fL 1 , 同 时 与 相 参 中 频 、 L 波 段 的 第 二本 振 信 号 fL 2 作 上 变 频 处 理 , 产 生 激 励 信 号 fc, X 波 段 输 出 频 率 的 带 宽 为 1. 17GH z, 跳 频 间 隔30M H z, 跳 频 点 为 40 个 点 , 输 出 频 率 的 相 对 带 宽 为 13. 4% , 完 全 满 足 雷 达 总 体 提 出 的 技 术 指 标要求 。4. 2 输出杂

13、散分析由合成原理可知, 直接式频率综合器的输出相噪主要取决于基准晶振, 而由器件非理想化 和信号合成过程本身引起的噪声恶化较小 , 所以, 直接式频综的输出杂散指标成为需要解决的一大难题 。 下面就此作一分析 。在 产 生 m 个 基 准 频 标 和 n 个 微 波 频 标 过 程 中, 共 用 了 五 级 混 频 器, 其 归 一 化 的 频 率 界 限 分别是 0. 12 0. 22, 杂散分量主要是 5F 1, 6F 1, 7F 1 和 8F 1 (F 1 为 混 频 器 的 输 入 信 号 ) , 与 输 出40第 4 期 高文英 高性能 X 波段直接式频综的设计频率有关的杂散分别是-

14、 72dB c, - 90dB c 和- 79dB c, 因为这几个混频器的输出分别为点频信号, 为 降 低 这 些 频 标 的 输 出 杂 散 , 在 这 些 混 频 器 之 后 均 加 了 窄 带 带 通 滤 波 器, 以 满 足 频 标 信 号输出杂数 - 70dB c 的要求 。输出微波混频器是杂散信号的主要来源, 因其是宽带混频器 , 输出信号的杂散无法加窄带 滤 波 器 滤 除, 混 频 的 带 宽 又 较 宽, 其 归 一 化 的 频 率 界 限 为 0. 157 0. 217 和 1. 157 1. 217, 与微 波 混 频 器 输 出 信 号 有 关 的 杂 散 分 量 为

15、 7F 1、 2F 2- 4F 1、 6F 1、 2F 2- 5F 1、 F 2。 这 里 F 1 为 混 频 器的输入信号, F 2 为混频器的输入本振信号 。上 述 杂 散 分 量 的 输 出 电 平 计算结果列于表 1。 由 表 1 可 见, 落 入 输 出 频 率 信 号 带 宽 之 内 的 杂 散 小 于 - 71dB c, 而 落 在 输 出 频 率 信 号 带 宽 之 外 , 对 杂 散 指 标 有 影 响 的 分 量 频 率 为 本 振 信 号 , 其 电 平 为 - 36dB c, 偏 离 载 频 带 宽 -110M H z, 只 要 选 取 的 输 出 带 通 滤表 1 微

16、波混频器输出互调分量波器对偏离通带- 110M H z 处的抑制大于 40dB c, 即可使输出信号的杂散电平低于 - 76dB c。综 上 所 述 , 只 要 合 理 选 择 混 频 比, 严 格 地 控 制 输 入 信 号 电 平 , 选 择 矩 形 系 数 好 的 带 通 滤 波器, 就可使输出杂散电平在 S 波段低于 - 70dB c, 满足在 X 波段低于 - 60dB c 的要求 。测 试 结 果 与 性 能 指 标5本合成器按军标进行了各种试验 , 经测试 , 性能指标如下 :输 出 频 率 X 波 段 , 带 宽 1. 17GH z, 跳 频 间 隔 30M H z, 可 跳 频 40 点, 杂 散 - 70dB c, 跳 频 时 间 0. 7s, 用 法 国 EU RO P T E ST 公 司 的 PN 9000 相 位 噪