毫米波频率综合器的研制

毫米波频率综合器的研制 空间电子技术2002年第4期 毫米波频率综合器的研制 陶焕磊?徐军?薛良金?张捷?张学忠? (电子科技大学,成都610054;信息产业部电子第13研究所,石家庄050051) 摘要介绍一种毫米波频率综合器(以下简称频综)的设计,并给出了样 机的研究结果.该频综采取脉冲锁相与分频锁相相结合,高参考源频率与高中频频 率相结合,在简化了设计方案复杂程度的同时,实现了高频率稳定度,低相位噪声的 毫米波频综.样机的输出频率范围35.3,35.7OHz,输出功率?30mW,步进为 5MHz,相位噪声一55dgd200Hz,长期频率稳定度优于10./日. 关键词毫米波频率综合器锁相环分频锁相脉冲锁相 1引言 高性能的本振源是整机性能指标的重要保障,毫米波本振源是毫米波系统的核心设备,提 高其性能对提高毫米波系统性能有着举足轻重的作用.毫米波系统在雷达,制导,保密通讯, 电子对抗,以及近年来兴起的民用系统(LMDS,MVDS)等方面有着广泛的用途,多年来受到 世界各国的重视. 以下主要阐述本频综的工作原理,设计方案,性能分析,主要部件的研制,以及研制结果. 2工作原理及设计方案][3][4][5][][7] 目前,毫米波频综的实现方法主要有倍频法和谐波混频法:前者难以兼顾低相位噪声与小 步进,且杂散较大,因此难以实现高性能的频综;与之相比,波混频法有相位噪声好,步进小,杂 散低,技术成熟,调试简单,输出功率较大的优势(可以达到200mW).在此采取谐波混频的技 术方案,其框图如图1所示: ?研究 ?教授 ?工程 ?研究 收稿日 ? 一 ? 一 2? 2 生师员期 2002年第4期陶焕磊等:毫米波频率综合器的研制 图1毫米波烦综的方案框图 谐波混频器对毫米波压控振荡器的输出频谱进行了搬移,是实现中频锁相环路控制nl/’n— wVCO的一个关键部件.方案充分利用了脉冲锁相与分频锁相的优点:脉冲锁相环属于模拟 锁相环,其鉴相频率高,输出信号的相位噪声低,所以适合用来实现微波参考源;分频锁相环 属 于数字锁相环,其中的鉴频器属于鉴频鉴相器,不会出现错锁现象,许多集成的分频锁相环有 内置的可变预频分器,可以用来控制VCO,实现锁定与步进. 提高微波参考源的频率,可以降低谐波次数,减小变频损耗,降低对中频放大器增益的要 求,降低输出端的相位噪声,减小输出信号杂散,在此选用X频段脉冲锁相源(8.6G】)作为 微波参考源.提高中频频率可以抑制mmwVCO温漂,时漂,拓宽频综输出频带,在此选用 0.9GHz,1.3GHz的中频频率. 3性能分析.] 该频综系统方框图如图1所示. 3.1输出频率 输出的毫米波信号频率为 丘=4厂.+(N/R)(1) f-=N-(2) 其中,为频综输出频率,厂.为脉冲锁相源的输出频率,为晶振频率,N为分频锁相环 中射频信号的预分频比;R为分频锁相环的晶振预分频比,N,为脉冲锁相源输出频率与参考 晶振频率之比.根据上述分析:R=20,N=180~260,f1=8.6GHz,N1=86,即输出频率从 35.3GHz,35.7GHz. 3.2相位噪声 系统输出信号的相位噪声可表示为: (叫)=(M2s1(叫)+(N/R)s,(叫)fH(叫)I+I1一H(jw)I(3) 其中: 1=(叫)IH1(灿)I+I1一Hl(灿)I(4) 其中:(叫)为频综的相位噪声,M是谐波混频次数,s.(叫)为脉冲锁相源的相位噪声, s(叫)是参考晶振的相位噪声,s(叫)是自由振荡的毫米波信号源的相位噪声,H(jo~)是中 空间电子技术2002年第4期 频数字锁相环路的闭环传输函数,H,(灿)为脉冲锁相源的锁相环路的闭环传输函数:对于常 采用的二阶环路,其闭环传输函的幅频特性为低通滤波器,可以近似的认为: lH(flo)l=1叫<叫(5) lH(flo)l=0叫>叫(6) 则由(3),(4),(5),(6)式可知频综的相位噪声在环路带宽以外由所选用的毫米波压控振 荡器的自由振荡时的相位噪声决定;在环路带宽内,由微波参考源的相位噪声和晶振的相位噪 声以及所采用的谐波混频器的混频次数共同决定.在此之前所见到的频率综合器的有关报道 中,由于采取的微波参考源的性能指标不高等因素的制约,在输出端获得好的相位噪声指标的 同时,很难获得较小步进,在该方案中,采取了高指标的微波参考源.经过初步相位噪声分析 (表1),可以得出理论上输出端的相位噪声在偏离中fl,频率10kHz处可以达到一90dBc左右. 10kHz处相位噪声在输出端的贡献备注 微波参考源一102dBc一90dBc为实测试值 N=180,260晶振一 148dBc一99dBcR =20 3,3长期稳定性分析 输出频率变化量可以表示为: =4Afl+,(N/R)(7) -=N-(8) 所以: = 4N-+(N/R)(9) 则: 警=4N苦箱=fLifiRfNR,)ff.v 由此,可以得出:毫米波频综的输出频率稳定度与晶振的稳定度相同,即可达到优于101/ 日. 4主要部件的研制 在该频率综合器的研制过程中,尽量采用我们自己设计的,性能指标可靠的部件. 4.1毫米波压控振荡器】 毫米波压控振荡器是锁相环路的一个核心部件,由于变容管电调Gunn二极管振荡器在 该毫米波频段的技术相对成熟,且其输出功率较大,体积小,性能较为可靠,无需另加驱动电 路,故选用其作为毫米波压控振荡器.其指标测试如表2. 2002年第4期陶焕磊等:毫米波频率综合器的研制 表2mmwV(X)性能测试数据 l输出功率输出功率波动输出频率电调电压电调线性度 f?30mW?1dB35.2,35.9G0,30V?4% 4.2谐波混频器n们 谐波混频器的变频损耗影响频综的相位噪声,工作频带决定频综的工作频带,要求谐波混 频器的变频损耗小,工作频带宽.所选用的谐波混频器采用二极管管对实现谐波混频,其工作 原理图见图2,性能指标测试数据如表3.该谐波混频器在与国内已有报道的谐波混频器的指 标对比中属于领先水平. 表34次谐波混频器测试数据 Lo频率/GHzLo功率/dBmRF频率/GHz变频损耗dB 8.6735.4—35.712?1.5 RF ——— .-. 图24次谐波混频器原理图 Lo ?I_一 4.3微波参考源 由式(3),(4),表1可知,为了提高毫米波频综相位噪声指标,必须提高的微波参考源的相 位噪声.如果该微波参考源采用分频锁相技术,由于器件噪声本底的限制,难以达到整机的要 求.在此采用介质稳频与脉冲锁相技术相结合的方法提高微波参考源的相位噪声指标:用脉 冲锁相的方法减小其环路带宽以内的相位噪声,用介质稳频的电调振荡器(DRVCo)降低其环 路带宽以外的相位噪声,这样就可以实现一个稳定性好,相位噪声指标高的微波参考源.脉冲 锁相源的相位噪声测试数据如表4. 表4脉冲锁相源的测试数据 输出频率输出功率相位噪声 —— 102dBc/10kHz 8.6Gf{z12dBm——112dBc/100kHz —— 14SdBd1MHz 空间电子技术2002年第4期 4.4中频放大器 由于在谐波混频器的IF输出端的信号功率较小,不能满足锁相集成块的射频功率要求 (工程上常选用0dBm作为其射频输入功率),因此需要对其进行放大.为了提高整机性能,要 求中频放大器输出端信号功率波动小,杂波信号少.为此在设计放大器时需要兼顾增益平坦 度,噪声和线性度.选取用低噪声单片SLN一276和SNA一486设计出低噪声宽频带的放大 器.联机调试后该放大器的测试数据如表5. 表5中频放大器测试数据 增益(Ga)工作频带带内增益平坦度噪声系数P—?iout 【30dB0.5,2.5GHz?1dB?1.2——2dBm 4.5中频锁相环路的设计 对于中频锁相环路,要求其射频输入频率要高于方案选用的中频频率,选用PERLE— GRINE公司生产的PE3236作为数字锁相环路的核心部件,其射频频率最高为2.2GHz,可 满足指标要求.由于mmwVCO的电调范围宽,在此采用有源环路滤波电路;且由于直接振 荡mmwVCO的相位噪声较差难以直接测量,故在环路带宽的选取上,需经试验验证才能确 定,经过精心调试反复试验,选取环路带宽约为50kHz时,试验结果最好. 5研制结果 输出功率:>~30mW 输出功率波动:?1dB 输出频率: 步进: 工作温度: 工作电压: 相位噪声: 频率稳定度: 6结束语 35.3,35.7G}{z 5瑚z 一 20?,+50? 两路输入+25V,-t-12V 一 55dBc/Hz/200Hz 优于10/日 该毫米波频率综合器与有关报道相比,在体积,质量,方案复杂程度均有所减小的情况下, 提高了整机的性能.本频综可以作为星用转发器,毫米波接收机,LMDS,MVDS等毫米波系 统的本振源.根据实际的要求,可以把该频综进一步小型化(小型化后的体积可以达到90X 85×35删m3);并可采用DDS+PLL的方式,实现更小的步进. (下转第31页) 2002年第4期王胜平等:W频段测频系统的研制?3l 的测频系统具有较高的测频灵敏度,测频精度和较大的动态范围等优点.此方案的研究不仅 为我国W频段雷达侦察系统提供技术储备,而且也为我国毫米波对抗设备提供有力的支持, 并可推广应用于毫米波雷达,制导等领域. 参考文献 1薛良金.毫米波工程基础.国防工业出版社,1998,9 2<雷达接收设备>编写组.雷达接收设备.国防工业出版社,1978.3 3清华大学<微带电路>编写组.微带电路.人民邮电出版社,1975 4赵国庆.雷达对抗原理.西安电子科技大学出版社,1999 5H,Plouard.RD,Snowden.CM.ANovelTechniqueforHEMTTriplerDesign.IEEEMTT—S, 1996 (上接第26页) 参考文献 1薛良金.毫米波x-5基础.国防工业出版社.1998年9月 2ZviGalani.AnoverviewofFrequencySynthesizersforRadars. Vo1.39,No.5,1991 3甘体国.低噪声毫米波锁相源及其应用.电讯技术,V0L37,N06,1997,12 4鲍景富等.Ka波段频率合成嚣.电子学报,Vl01.27No.3,1999,3 5张永鸿等.W波段小型化锁相源.电子科技大学学报,v01.28,No.4,1999 6骆永建,林镇才,叶华.4rnm速调管数字锁相稳频源.中山学学报(自然科学版),1994,33:41--46 7连汉雄等.微波锁相振荡源.人民邮电出版社,1982 8张有正,陈尚勤,周正中.频率合成技术.人民邮电出版社,1984 9许军等.Ka频段鳍线电调振荡器.红外与毫米波学报,vl01.18,No.4 10RamanSandMGarbridR.A94Gf{zuniplinarysubharmonicmixer.1996.IEEEMTT—SDigst