Ku 波段頻率合成器主要功能是提供具有一定隔離度的兩路相參2 cm 波段的輸出頻率，經系統倍頻后作為發射機的發射信號和接收機的本振信號。如何使Ku 波段頻率合成器具有高頻率穩定度、低相位噪聲、低雜散、小體積以及高隔離度等特性，是當今設計人員主要的研究方向。

1、主要技術指標

( 1) 晶振頻率: ( 略) 。

( 2) 輸出射頻頻率: 本振信號，頻率2 cm 波段； 發射信號，頻率f R = f L - f I ( 檢測信號頻率同發射信號頻率) 。

( 3) 本振信號和發射信號的單邊帶相位噪聲: 小于等于- 96 dBc/ Hz@10~ 500 kHz。

( 4) 本振信號和發射信號無用頻率分量: 小于等于- 70 dBc。

( 5) 隔離: 本振電路對發射信號的隔離大于等于105 dB； 發射電路對本振信號的隔離大于等于90 dB。

( 6) 發射電路預調制: 開關通斷比大于等于85 dB。

2、主要技術途徑

2. 1 頻率合成的類型

通常頻率合成器可以被分成直接式頻率合成器、直接數字式頻率合成器及鎖相式頻率合成器三種類型，其中最后一種頻率合成器也被稱為間接式頻率合成器。很多情況下，頻率合成器是由多種類型相結合形成的。

2. 1. 1 直接式頻率合成器

直接模擬頻率合成器是最先出現的一種合成器類型的頻率信號源。這種頻率合成器原理簡單，易于實現。其合成方法大致可分為兩種類型: 一種是所謂的非相關合成方法； 另一種是所謂相關合成方法。這兩種合成方法之間的主要區別是所使用的參考頻率源的數目不同而已。

直接式頻率合成器的顯著特點是: 分辨率高； 頻率轉換速度快( 小于100us) ； 工作穩定可靠； 輸出信號頻譜純度高。缺點就是使用的元件太多，很難集成，而且功耗較大，很難用于移動通信中。

2. 1. 2 鎖相式頻率合成器

鎖相環路( Phase Lo cked Loo p) 是一個閉環的相位控制系統，它的輸出信號的相位能自動跟蹤輸入信號相位。鎖相環路之所以能夠進入相位跟蹤，實現輸出與輸入信號的同步，是因為它是一個相位的負反饋控制系統。它由三個基本部件組成，分別是鑒相器( PD) 、環路濾波器( LPF) 和壓控振蕩器( VCO) 。其原理框圖如圖1 所示。

2. 1. 3 直接數字式頻率合成器

直接數字式頻率合成( Direct Digital FrequencySynthesis，DDS) 是近年來發展起來的一種新的頻率合成技術。它將先進的數字處理理論與方法引入信號合成領域，標志著第三代頻率合成技術的出現。其主要優點是相對帶寬很寬，頻率轉換時間極短( 可小于20 ns) ,頻率分辨率很高( 典型值為0. 001 Hz) ，全數字化結構便于集成，輸出相位連續，頻率、相位和幅度均可實現程控。因此，能夠與計算機緊密結合在一起，充分發揮軟件的作用。DDS 技術的實現完全是高速數字電路D/ A變換器*的產物。由于集成電路速度的限制，目前DDS 的上限頻率還不能做得很高。但GaAs( 砷化鎵) 材料在集成電路中的應用，使得DDS 上限頻率不夠高的缺陷正在不斷地被克服。

2. 2 DDS+ PLL 方案的簡單介紹

因為PLL 具有高頻率、寬頻帶、頻譜純度好的優點，但其頻率切換速度低，只能達到??s 級，而DDS 具備高速頻率捷變能力( 可達到10 ns 級) ，相位分辨能力強，只要將二者相結合，可產生高精度，高速切換頻率的頻率合成器。現在的DDS+ PLL 混合頻率合成技術主要有以下三種比較成熟的方案，并在工程研制中得到應用。

2. 2. 1 DDS 激勵PLL 方案

DDS 激勵PLL 是最簡單和最直接的組合方案,PLL 設計成N 倍頻環，DDS 作為PLL 的參考信號，如圖2 所示。輸出信號的頻率分辨率為N ?? ( DDS 的頻率分辨率) ，DDS 在環路帶寬以內的雜散將帶入信號,且惡化20lo g N dB，頻率變換時間取決于PLL，原理框圖如圖2 所示。

圖2 DDS 激勵PLL 方案原理框圖

2. 2. 2 具有良好雜散性能的PLL 內插DDS 組合方案

為了解決DDS 雜散會被PLL 放大的問題，產生了PLL 內插DDS 方案。在本方案中輸出信號的頻率f OU T = f DDS + N f REF，DDS 的輸出信號不經PLL 倍頻,因而相位噪聲和雜散不會在輸出端惡化，具有低的相位噪聲和好的雜散性能。方案中BPF2 需要濾除混頻產生的多余頻率分量，本身又會影響環路參數，具有一定的設計難度，且調頻速率也受PLL 的限制。原理框圖如圖3 所示。

圖3 PLL 內插DDS 組合方案原理框圖

2. 2. 3 轉換時間快捷的組合方案

DDS 與PLL 混頻后的輸出頻率為f OU T = f DDS +N f L ，此方案中PLL 作為本振信號保持不變，頻率轉換時間只由DDS 決定，可以充分體現DDS 頻率轉換快捷的特點。此外DDS 的雜散不會在輸出端惡化，具有較好的頻譜質量。原理框圖如圖4 所示。

圖4 原理框圖

2. 3 方案選擇

根據技術指標的要求，擬采用鎖相方案。鎖相方案也有兩種: 第一種是直接對2 cm波段VCO 進行鎖相,該方案的優點是輸出頻帶較寬( 與2 cm 波段VCO 帶寬相同) ，缺點是由于器件引入相位噪聲的因素較多，分別受單片PLL 本底噪聲，分頻器以及壓控振蕩器噪聲的影響，具有眾多的惡化因素，相噪較差。第二種是在L 波段進行鎖相，在Ku 波段進行上變頻。該方案的輸出頻帶較窄，但相位噪聲性能好。由于該項目要求的輸出頻率帶寬為100 MHz，故采用第二種方式，這對于相位噪聲指標的實現是有利的。選用第二種方案，使得系統的大部分電路工作在Ku 波段以下的頻段，便于進行小型化、集成化設計，此外，在這種方案中可以選擇在L 波段頻率合成源的輸出端增加一級開關，以提高最終輸出的Ku 信號的通斷比。

綜合考慮硬件方面的實現難度及技術要求，在發射路中采用DDS 與PLL 混頻的方案，該方案既可以實現較高的頻率輸出，又具有較高的頻率分辨率。由于PLL 的頻率與DDS 的頻率相差太大，且有一定帶寬,如果兩者直接混頻的話，雜波在信號帶內無法濾除，所以DDS 先在一點頻源上變頻后再與PLL 混頻，這樣可以得到較好的雜波抑制。總體的設計框圖如圖5 所示。

圖5 系統原理框圖

3、詳細設計

3. 1 L 波段鎖相環的電路設計

L 波段PLL 采用的是普通的分頻鎖相方案。該方案中參考晶振的相位噪聲是- 154 dBc/ Hz@ 10 kHz,30 MHz DDS 參考輸入的相位噪聲基底為- 110 dBc/ Hz@10 kHz，在鎖相環中鑒相器的相位噪聲基底約為- 150 dBc/ Hz@10 kHz。

PLL 采用普通的分頻鎖相環，其分頻比N 為179~ 199。晶振分頻后的相位噪聲遠小于鑒相器的相位噪聲基底，因此應當以鑒相器的相位噪聲基底為參考來計算。

相位噪聲為:- 150+ 20 lg 199= - 104 dBc/ Hz@ 10 kHz

3. 2 2 cm 上變頻電路的設計

該上變頻模塊主要包括PDRO 以及兩個上變頻支路。考慮到指標要求本振信號和發射信號的隔離度要達到105 dB，將兩路信號比較好的獨立開來，盡量減少共用部分，以免相互串擾。對上變頻模塊來講，最關鍵的問題是要采取良好的隔離和濾波措施。通過在功分器輸出等地方增加濾波器，減少共用部分，在很大程度上避免相互串擾，使本振信號和發射信號的隔離度最終達到120 dB。另外針對雜波抑制要求，每路在變頻之后，均采用介質濾波器。這種濾波器相對帶寬窄，帶內插損小和波動都較小，帶外抑制很好，并且容易集成，方便調試，可以在保證通帶的前提下，使其雜波抑制大于75 dB。所以通過優化設計，最終輸出能滿足系統對雜波抑制的要求。需要注意的是，L 波段信號的雜波已被頻率源模塊中的濾波器徹底濾除，否則將會給后面的輸出濾波器帶來無法克服的困難，導致寄生雜散。

上變頻器采用普通的2 cm 混頻器，其本振為2 cm波段PLO( PLO 采用取樣鎖相方案，該方案具有體積小、相位噪聲特性好等優點) 。將本振信號一分為二，作為兩個上變頻器的本振輸入，與兩路中頻端口的輸入信號混頻后分別得到兩路2 cm 的輸出信號。采用在功分器輸出端加內置式隔離器，并通過衰減、放大的方式，減小兩路信號通過功分器產生相互之間的串擾，增加兩路之間的隔離。為了減小體積，將以上電路進行了一體化設計。

2 cm PLO 的相噪約為- 97 dBc/ Hz@ 10 kHz。這是由于2 cm PLO 的相噪與中頻信號的相噪相差8 dB,所以混頻后的2 cm 信號的相噪惡化1 dB 左右,即- 96 dBc/ H z@10 kHz。

3. 3 主要技術難點及采取的措施

( 1) 選用低相噪恒溫晶振作為參考源，確保頻率合成器的低相位噪聲指標[ 9] 。采用成熟頻率合成技術，通過巧妙地結合，在L 波段進行鎖相，在Ku 波段進行上變頻。該方案的相位噪聲性能好，最終可滿足Ku 波段頻率合成器技術指標的要求。

( 2) 精心設計系統方案，并在方案設計中進行詳細的分析、計算，注意頻率選擇、功率電平，減少混頻交調產物，提高頻譜純度； 優化選擇濾波器的形式，使得諧波及雜波的抑制度達到最佳性能。

( 3) 采用EMI 濾波器技術，降低電源干擾對輸出信號頻譜純度的影響，同時降低Ku 波段頻率合成器內部信號對外界的干擾，提高電磁兼容性。在電路設計中合理布局，采用表面貼裝技術，采取良好的濾波、接地及屏蔽等措施，可以減小信號相互之間的串擾，從而進一步改善頻譜性能，提高隔離度。在結構設計上采用多腔分隔及新材料屏蔽技術，提高屏蔽效能 。

( 4) 采用一體化設計技術和混合集成電路設計技術，實現產品的小型化。同時使得該產品使用維護方便，提高其可靠性和可維修性。

4、結 語

采用本方案設計的Ku 波段頻率綜合器使用于某型號雷達產品中，最終實現了本振信號和發射信號的隔離度可達到120 dB 以上，雜波抑制度達到了75 dB 以上，很大程度上減少了雷達因接收到泄漏的發射信號或雜波信號而截獲虛假目標的概率，并且能有效地提高雷達的檢測靈敏度。此外，采用此方案獲得的發射信號及本振信號都具有很好的相位噪聲特性，對提高雷達的多普勒頻率分辨力也有很大幫助。