一种Ku波段宽带低相噪频率合成器研制
Ku波段宽带低噪声雷达频率源的研制
Ｋｕ波段宽带低噪声雷达频率源的研制作者：魏春林刘光祜来源：《现代电子技术》2008年第06期摘要：介绍一种低相噪、低杂散、宽带的雷达频率合成器方案的设计和实现，该方案采用超低相噪模拟锁相环芯片，并采用双环环内下混频结构，通过对环路滤波器的精心设计，大幅度改善相位噪声和杂散性能。
给出设计过程及测试结果。
实验证明该方案是成功的，达到的主要技术指标为：输出频率 12.8～14.8 GHz，相位噪声 -90 dBc/Hz@1 kHz，杂散 -55 dBc，步进间隔50 MHz。
关键词：雷达频率合成器；低相噪；环路滤波器；宽带中图分类号：TN957 文献标识码：B文章编号：1004-373X(2008)06-130-03Ku-band Wideband Low Phase Noise Radar Frequency SynthesizerWEI Chunlin，LIU Guanghu(School of Electronics and Engineering，University of Electronic Science & Technology of China，Chengdu，610054，China)Abstract：This paper introduces a design and realization of Ku-band wideband，low phase noise and spur radar frequency synthesizer.In this scheme，by employing ultra low phase noise detector and two PLL down-mixing in loop structure，as well aselaborately designing the loop filter of PLL，realizes the low phase noise and spur level.A sample and result are presented and prove this scheme is successful.Keywords：radar frequency synthesizer；low phase noise；loop filter；wideband频率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着现代军事、国防及无线通信事业的发展，移动通信、雷达、制导武器、电子测量仪器和电子对抗等电子系统对频率合成器提出了越来越高的要求。
Ku波段宽带低噪声放大器研制
Ku波段宽带低噪声放大器研制崔铮薛祝和李斌范庆元（中国科学院上海天文台上海 200030）摘要：低噪声放大器（LNA）是微波接收机前端中的重要组成部分。
低噪声放大器的性能将决定着接收机的信噪比大小。
本文介绍了一种宽带Ku波段低噪声放大器的设计原理和方法，并给出了仿真结果。
该放大器采用NEC公司的NE3210S01场效应晶体管（FET），利用三级级联的方式来达到较高的增益和较好的增益平坦度。
仿真后在11-13 GHz范围内增益（29.7±0.5）dB，噪声温度小于55K，S11,S22小于-25dB 。
关键词：低噪声放大器；噪声系数；级连匹配Abstract: Low noise amplifier (LNA) is an important part as the front end of the microwave receiver. The performance of the LNA will determine the signal to noise ratio(SNR) of the microwave receiver. We introduced the design principle and method of a Ku band LNA and give the emulational result. FET NE3210S01 of NEC Company was used in this design. A three-stage topology was used to achieve high gain and better gain flatness. After simulated, the result with a gain of(29.7±0.5)dB, noisetemperature less than 55K, S11,S22less than -25dB.Keywords: low noise amplifier (LNA); noise figure(NF); series matching1 引言宽带Ku-波段接收机的研制目的，其主要用途是接收地球同步卫星信号用全息测量法做天线面高精度调整及甲醇脉泽谱线的观测。
一款K_及KU_波段混频环的设计与实现
设计应用技术Telecom Power Technology相位噪声/（d B c /H z ）1-160-150-140-130-120-110-100-190-80-70-6010100频率偏移/kHz1 00010 000相位噪声/（d B c /H z ）1-160-150-140-130-120-110-100-190-80-70-6010100频率偏移/kHz1 00010 000 2023年10月25日第40卷第20期25号混频后，通过低通滤波器滤除高频分量，再取其差频作为主环鉴相器的射频信号；综合相位噪声、频率切换时间等指标，采用4级有源环，并选取合适的环路带宽，降低鉴相泄露；对各器件供电电源进行充分的隔离滤波，防止电源串扰。
1.2.2 空间串扰产生的杂散优化设计混频环内部同时存在主环信号、副环信号、中频信号，需要对不同的信号进行隔离处理，防止不同信号空间串扰。
该产品结构通过压框将主环信号、副环信号、中频信号进行分腔，并且每个隔腔进行单独封盖处理，减小不同信号空间串扰。
1-160-150-140-130-120-110相位噪声/（d B c /H z ）-100-90-80-706010100k 频率偏移/kHz1 00010 000 （a ）相位噪声 （b ）杂散图4 混频环测试结果2 测试结果混频环的测试结果如图4所示。
由测试结果可知，该混频环的输出频率为16～20 GHz ，步进频率为100 MHz ，相位噪声为-111 dBc/Hz@1 kHz ，杂散为-60 dBc 。
其中，混频环-111 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪声实测值较图3中主环-112 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪声仿真值恶化1 dB ，这是由于图2中副环 -114 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪声未优于图3中主环-112 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪声6 dB 以上，混频过程相位噪声恶化导致的，后续可根据测试结果优化副环相位噪声。
Ku波段频率合成器的设计与实现的开题报告
Ku波段频率合成器的设计与实现的开题报告
一、研究背景及意义
随着无线通信的迅速发展，射频技术的应用越来越广泛，射频频率合成器在无线通信中起到了关键作用。
目前，最常用的频率合成技术是锁相环（PLL）技术，但由于PLL技术本身的设计限制，导致在某些应用场合中，PLL技术难以满足要求，如在Ku波段（12 GHz – 18 GHz）的制造中。
因此，需要研究开发一种适用于Ku波段频率合成器的设计方案，以满足无线通信系统对高稳定度、高精度、高带宽和低相位噪声等要求。
二、研究内容及方法
本文将研究设计一种Ku波段（12 GHz – 18 GHz）频率合成器，主要研究内容包括：
1. 频率合成器的基本原理及特点
通过对频率合成器的基本原理和特点进行研究，为后续的设计提供理论支持。
2. Ku波段频率合成器的设计方案
综合考虑Ku波段频率合成器的要求和特点，设计合适的频率合成器电路方案，包括参考源、频率分配器、相位调节器等模块。
3. 频率合成器的实现
根据设计方案，制作频率合成器模块，并对其进行测试和调试。
4. 频率合成器的性能分析
对频率合成器的稳定度、精度、带宽和相位噪声等性能指标进行测试和分析。
三、可行性分析
本文所研究的Ku波段频率合成器设计方案具有一定的可行性。
首先，目前市场上缺乏针对Ku波段的频率合成器，有一定的市场需求；其次，本研究针对Ku波段频率合成器的基本原理和特点进行了分析和研究，具有较高的理论可行性；最后，频率合成器的实现采用了成熟、可靠的电
路设计方法，具有较高的工程可行性。
总之，本研究的Ku波段频率合成器设计与实现具有很高的研究价值和实际应用价值。
宽带低相噪频率合成器的设计与实现
宽带低相噪频率合成器的设计与实现梅径;毛文平;胡鹏;李正刚;陈方;刘朝阳【摘要】介绍了一种宽带、高分辨率和低相噪频率合成器的设计与实现方案.该频率合成器包含3个部分:(1)STM32处理器部分,作为频率合成器的控制器并为其提供远程控制的CAN总线接口;(2)时钟分配单元,用于产生固定频率的参考信号和输出频率的精确调整;(3)三混频部分,以30 MHz的步进改变频率合成器的输出频率.将该频率合成器应用在自主研发的500 MHz液体高分辨率NMR谱仪上,测试了1H NMR标样样品的灵敏度,实验结果证明了该方案的可行性.%The design and implementation of a frequency synthesizer with wide-band output frequency spanning, high resolution, and low phase noise level was proposed. The frequency synthesizer contains three sections: 1) a STM32 which serv es as the synthesizer′s controller and provides a CAN bus interface for remote frequency control, 2) a clock distribution section which generates fixed frequency references and provides fine output frequency resolution, and 3) a triple-mix section which operates in a drift canceling loop and alters the output frequency with a 30 MHz step. The frequency synthesizer design was used on a home-built 500 MHz NMR spectrometer. Its performance was demonstrated by sensitivity tests with 1H NMR spectroscopy.【期刊名称】《波谱学杂志》【年(卷),期】2011(028)002【总页数】9页(P207-215)【关键词】核磁共振(NMR);频率合成器;三混频频率合成法;低相位噪声【作者】梅径;毛文平;胡鹏;李正刚;陈方;刘朝阳【作者单位】波谱与原子分子物理国家重点实验室,武汉磁共振中心(中国科学院武汉物理与数学研究所),湖北,武汉,430071;中国科学院,研究生院,北京,100049;波谱与原子分子物理国家重点实验室,武汉磁共振中心(中国科学院武汉物理与数学研究所),湖北,武汉,430071;中国科学院,研究生院,北京,100049;波谱与原子分子物理国家重点实验室,武汉磁共振中心(中国科学院武汉物理与数学研究所),湖北,武汉,430071;中国科学院,研究生院,北京,100049;波谱与原子分子物理国家重点实验室,武汉磁共振中心(中国科学院武汉物理与数学研究所),湖北,武汉,430071;波谱与原子分子物理国家重点实验室,武汉磁共振中心(中国科学院武汉物理与数学研究所),湖北,武汉,430071;波谱与原子分子物理国家重点实验室,武汉磁共振中心(中国科学院武汉物理与数学研究所),湖北,武汉,430071【正文语种】中文【中图分类】O482.53频率合成是由一个或几个参考频率源产生一个或多个频率的系统元件的组合. 最初，频率合成由可控晶振以及手动切换的开关组成，其频率精度与稳定度由晶振决定. 此后，非相干频率合成的方法应用更加广泛，此方法利用多晶振进行开关选择并混频滤波的方法，产生一系列频点，较之可控晶振使用了更少的晶振. 随着技术的进步，通信系统对于频率精度、稳定度以及频率切换速度的要求越来越高，非相干频率合成法远不能达到要求. 应用的需求推动了技术的进步，出现了新的频率合成方法：相干频率合成法，即使用同一参考源，产生一系列满足应用需求的频点. 为了满足不同应用和时刻变化着的技术要求，频率产生系统将多种频率合成方法综合使用，变得越来越复杂而又昂贵.频率合成器作为核磁共振(NMR)谱仪中的核心部件，主要用来产生射频发射机与接收机的本振信号，其主要性能指标要求低相噪、高功率平坦度和高频率分辨率. 同时，对应于不同的核磁共振主磁场，实验样品质子核磁共振频率不同，频率合成器的输出频率也不同，因此宽带频率合成器能在更广泛的应用范围上满足核磁共振实验需求.目前，核磁共振谱仪中典型的射频信号合成器是PTS(Programmed Test Source, PTS)公司的系列产品，其具有输出频带宽、功率平坦度高、相噪低等特点，但其价格昂贵. 为了降低国产核磁共振谱仪的生产成本，有必要自主研发满足国产核磁共振谱仪应用需求的频率合成器. 本文提出了基于网络控制、数字频率合成与三混频频率合成法的频率合成器设计方案，本设计方案的频率合成器具有输出信号频带宽、功率平坦度高、频率分辨率高、相噪较低、生产成本相对低廉等优点，而其性能指标能够达到替代国外同类产品的要求. 下文首先介绍频率合成器整体结构的设计，然后重点介绍频率合成器各模块的设计，最后给出实验测试结果，验证方案的可行性.频率合成器是核磁共振谱仪中的核心部件，在系统中的连接关系如图1所示.在谱仪系统中，频率合成器通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网)总线与主控系统进行通信，上位机软件通过CAN通信协议发送频率合成器的频率控制字，控制频率合成器的输出频率. 频率合成器的输出作为核磁共振谱仪发射机与混频器前放系统的本振信号使用，即用于产生射频激发与检波的本振信号. 频率合成器的整体设计框图如图2所示. 3个模块分别为STM32(一款ARM Cortex-M3内核的芯片)控制模块，时钟产生模块以及三混频模块. STM32控制模块作为频率合成器的控制核心，通过CAN总线完成与上位机的通信以及各数字电路单元的控制；时钟产生模块产生频率合成器各单元的基准频率与高分辨率频率分量(直接数字频率合成器产生)；三混频模块实现窄带信号的重复利用并输出宽带射频信号.STM32控制模块采用STM32作为控制器. STM32是一款ARM Cortex-M3内核的芯片，具有CAN通信接口，兼容于自制核磁共振谱仪主控系统接口. STM32控制模块通过CAN通信接口与主控系统通信，采用中断响应的方式接收符合CAN通信协议以及帧过滤信息的频率控制帧，并将控制信号转换为DDS(Direct Digital Synthesis，直接数字频率合成器)的频率控制字以及DAC(Digital-to-Analog Converter，数字模拟转换器)的幅度控制字，完成DDS与DAC的配置，改变DDS与VCO(Voltage-Controlled Oscillator，压控振荡器)的输出频率，最终改变频率合成器的输出频率.时钟产生模块采用晶振OCXO 8788作为参考时钟. OCXO 8788是一款10 MHz低相位噪声(单边带相位噪声<-157 dBc/Hz@1 kHz)、高稳定性晶振(5×10-10/day)，确保频率合成器系统的稳定性与低相位噪声. 时钟产生模块采用三极管倍频电路将10 MHz信号倍频至30 MHz， 30 MHz信号作为梳状谱产生电路与锁相环倍频电路的参考输入使用. 梳状谱倍频电路采用二极管1N4401，利用二极管的单向导电性产生尖脉冲，获得频谱间隔为30 MHz的梳状谱，在30 MHz～360 MHz之间，其功率不平坦度≤9 dB，如图3所示. 锁相环倍频电路采用定制的倍频器，其输入参考为30 MHz，输出为960 MHz，具有较低的相位噪声(单边带相位噪声<-100 dBc/Hz@1 kHz). 960 MHz信号经过AD9514(Clock Distribution IC， Analog Devices, Inc.)进行电平转换或分频，其中电平转换之后的产生960 MHz ECL电平信号作为AD9912(Direct Digital Synthesizer IC，Analog Devices, Inc.)的参考时钟使用，分频之后产生的320 MHz信号作为后级混频(混频器为ADE-11X， Mini-circuits)的本振信号. AD9912是一款低本底噪声，高频率分辨率(48 bits频率控制字)的DDS芯片，其分辨率决定了频率合成器的频率分辨率. 由fDDS=fS·FTW/248可知，当参考频率为960 MHz时，DDS的输出分辨率可达μHz. DDS输出信号与360 MHz信号混频之后送入三混频模块.三混频模块是整个频率合成器的核心，基于三混频频率合成法，利用漂移对消的原理，实现窄带信号的重复利用并输出宽带射频信号. 三混频模块基于频率漂移对消法，其原理如图4所示. 图中F1=FVCO±FComb； F2=F1-FIF=FVCO±FComb-FIF； FO=FVCO-F2=FVCO-(FVCO±FComb-FIF)=FIF±FComb.由公式可知， VCO(ROS1455+, Mini-circuits)输出频率在混频中对消，其漂移对于最终输出无影响，即频率综合器输出信号的相噪与VCO相噪无关. 最终输出信号FO只与FComb以及FIF相关. FIF是一个窄带信号，其带宽为FBW，FComb是一个频谱间隔为FBW的梳状谱信号. 通过改变FIF，输出信号FO可以实现FBW范围内的步进；通过选取FComb中不同的频谱分量，输出信号FO 可以实现N×FBW步进. 通过三混频模块，实现窄带信号的重复利用并输出宽带射频信号. 在电路实现上，可以通过DDS产生窄带信号(图2中25 MHz～55 MHz信号)，并通过混频得到窄带FIF信号(图2中345 MHz～375 MHz信号)；通过改变VCO频率与FComb混频并通过窄带滤波得到固定频率的方法实现FComb中不同频谱分量的选取.频率合成器设计中梳状谱的频谱间隔为30 MHz，中频信号的带宽也为30 MHz. 通过改变DDS的输出频率，可以实现频率合成器30 MHz步进之内的高频率分辨率的频率改变. 通过以30 MHz间隔改变VCO的输出频率，可以实现频率合成器以30 MHz进行步进切换. 频率合成器输出FO由图2中30 MHz～360 MHz、30 MHz频谱间隔的梳状谱信号与345 MHz～375 MHz窄带信号决定. 所以，频率合成器输出信号的频率分辨率由DDS(AD9912)输出频率分辨率决定，相位噪声由DDS(AD9912)、倍频器(MPS960D-30M)以及梳状谱信号共同决定. 同时，为了改善由于图3中梳状谱信号引起的功率不平坦度，在三混频模块中加入了自动电平控制模块(Automatic Level Control, ALC)，如图2所示. 相较于在最终输出处对宽带信号进行自动电平控制，此处对窄带信号的自动电平控制其结果更稳定. 此方法可以使图2中Mixer2的本振(Local Oscillator, LO)信号维持在一个恒定值，其功率不平坦度≤0.1 dBm，改善了最终输出信号的质量以及功率不平坦度.本设计的频率合成器在电路设计上，以三混频模块实现窄带信号的重复利用，输出宽带信号；以频率控制字为48 bits的DDS实现输出信号的高频率分辨率；以低相噪的时钟源以及漂移对消的电路设计，实现输出信号的低相噪，本设计的性能指标如表1所示.本设计的频率合成器输出带宽为5 MHz～645 MHz，其输出测试频谱图如图5所示，输出带宽能够满足500 MHz NMR 谱仪应用需求. 频率合成器输出信号的频率分辨率由DDS决定，可达μHz，使用Tektronix 公司TDS系列示波器测试，如图6所示，给出0.01 Hz分辨率测试结果，测试采用双通道输出混频的方法(两通道输出频率间隔0.01 Hz)，滤波后得到0.01 Hz信号. 频率合成器输出信号的相位噪声使用Rohde & Schwarz 公司的 FSUP系列相噪测试仪测试，在输出为522.5 MHz时，实际输出频率单边相位噪声如图7所示(单边带相位噪声-97.78 dBc/Hz@1 kHz)，测试单边带宽为0.1 Hz～10 MHz. 以上测试结果表明，本设计的频率合成器具有频率分辨率高，相位噪声低等特点. 同时，本设计具有生产成本低(成本约为PTS公司同类产品的1/3左右)的优点.为检验本设计的频率合成器的实际应用效果，在自主研发的核磁共振谱仪控制台上进行了NMR实验，并与PTS公司产品PTS D620在同等条件下进行对比. 为了保证相位的相干性，在实验中采用外部触发的方式提供本设计的频率合成器与PTS D620的10 MHz参考源. 使用Varian公司11.7 T(对应的 1H NMR频率500 MHz)的超导磁体，金山公司的双通道反式检测探头以及自主研制的控制台进行 1H NMR信噪比对比实验. 实验采用 1H NMR标样(0.1%乙基苯, 0.01% TMS，99.89%氘代氯仿)的单脉冲序列进行检测比较(采样次数为1次，采样时间为3 s，谱宽9 kHz，90°脉宽为5.5 μs)，按照VNMRJ软件计算NMR信噪比的方法计算信噪比，图8是其中一组对比实验1H NMR谱图，多次对比测试结果见表2，对比实验结果表明本设计的频率合成器上获得的 1H 信噪比与PTS D620上的结果相当，本设计研发的频率合成器性能指标非常接近于PTS D620，达到设计要求，完全可以替代核磁共振谱仪中的PTS D620进行核磁共振实验.通过1H NMR信噪比对比实验，表明本设计的频率合成器上获得的1H 信噪比与PTS D620上的结果相当，完全可以替代核磁共振谱仪中的PTS D620进行核磁共振实验.本文介绍了一种宽带低相噪频率合成器的设计与实现. 通过STM32实现了网络通信与频率控制，以三混频频率合成法为基础，将各种窄带信号进行频率搬移与频率复用，实现宽带低相噪频率合成器，并通过NMR实验检验频率合成器的性能，验证了方案的可行性.【相关文献】[1] Instruction Manual PTS160[EB]. Programmed Test Sources Inc. 1978.[2] Zhou Li-gong(周立功). ARM embedded system essentials(ARM嵌入式系统基础教程)[M]. Beijing(北京)： Beijing aerospace University Press (北京航天航空大学出版社), 2005.[3] Vadim Manassewitsch. Frequency Synthesizers Theory and Design(3nd ed)[M]. New York: John Wiley&Sons Inc, 2005.[4] Yan Guo-ping(严国萍)， Long Zhan-chao(龙占超). Electronic Communication Circuits (通信电子线路) [M]. Beijing(北京): Science Press(科学出版社), 2005.[5] Bogatin E. Signal Integrity: Simplified [M]. Kansas: Pearson Education Inc, 2004.[6] Micro semi Corp. The PIN Diode Circuit Designer’ Handbook [EB/OL]..[7] STMicroelectronics group of companies. RM0008 Reference Manuals [EB/OL]. 2009. .[8] Qiao Yong(乔勇)， Ji Wen-bin(季文彬)， Jiang Yu(蒋瑜). The design of a 300 MHz NMR frequency source (300 MHz 核磁共振频率源的研制)[J]. Chinese J Magn Reson(波谱学杂志), 2006, 23(4): 495-501.[9] Analog Device Inc. 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Ku波段频率合成源的研制的开题报告
Ku波段频率合成源的研制的开题报告一、选题背景随着通信技术的不断发展，超高频频段（10~40 GHz）的应用越来越广泛，使得Ku波段频率合成源的研制变得十分重要。
Ku波段广泛应用于雷达、卫星通信、航空通信、微波遥感等领域，并且在高速数据传输、无线通信和自动驾驶车辆等方面，也有着广泛的应用前景。
因此，研制一种可靠的Ku波段频率合成源对推动通信技术的发展和应用具有重要的意义。
二、研究内容本课题主要研究Ku波段频率合成源的研制，具体研究内容包括：1. 分析Ku波段频率合成源的需求和现状，总结国内外在该领域的研究成果和技术发展趋势。
2. 设计一种有效的Ku波段频率合成源方案，实现高精度、低相噪声的频率合成。
3. 利用射频集成电路技术研究高精度PLL、VCO和分频器等模块的设计和制造。
4. 选择合适的模拟数字转换器实现低噪声数字信号的生成和调制。
5. 进行性能测试和差错分析，确定需要改进的地方，提高合成源的性能。
三、研究意义研制一种高质量的Ku波段频率合成源，对于推动我国通信技术的发展和应用具有重要的意义。
一方面，可以满足雷达、卫星通信、航空通信、微波遥感等领域的需求，提高通信系统的覆盖能力、传输速率和稳定性；另一方面，可以为高速数据传输、无线通信和自动驾驶车辆等新兴领域的应用提供有力的技术支持。
四、研究方案本课题的研究方案主要分为以下几个方面：1. 查阅相关文献，分析Ku波段频率合成源的需求和现状，总结国内外在该领域的研究成果和技术发展趋势。
2. 设计一种Ku波段频率合成源方案，包括高精度PLL、VCO和分频器等模块的设计，以及数字信号的生成和调制环节的设计。
3. 利用射频集成电路技术，实现模块的设计和制造。
4. 进行性能测试和差错分析，确定需要改进的地方。
5. 提高合成源的性能，完善设计方案，获取更好的性能参数。
五、预期成果本课题的预期成果包括：1. 设计一种高精度、低相噪声、可靠稳定的Ku波段频率合成源方案。
一种低噪声快速切换的宽带频率合成器
一种低噪声快速切换的宽带频率合成器发布时间：2021-06-29T03:12:51.215Z 来源：《现代电信科技》2021年第4期作者：赵玉振[导读] 无线电通信中频率合成器的指标直接影响到无线电通信系统的性能，对于频率转换时间而言，定频不要求，跳频通信一般要求小于一个跳周期的10%。
（陕西烽火电子股份有限公司陕西宝鸡 721006）摘要：分析设计了一种基于乒乓环的UHF波段宽带快速频率合成器（PLL），解决了单一锁相环频率转换时间长，不能满足高速跳频的需求问题。
乒乓环的方法是用两个相同的锁相环交替工作，实现频率的快速转换。
关键词：乒乓；锁相环；频率合成器1.引言无线电通信中频率合成器的指标直接影响到无线电通信系统的性能，对于频率转换时间而言，定频不要求，跳频通信一般要求小于一个跳周期的10%。
跳频通信以其抗干扰性好、抗截获能力强、保密性好等优点，从其诞生之初就迅速受到军事专家的普遍青睐，在战术通信领域得到了迅猛发展。
随着超短波跳频通信向高跳速的方向发展，在保证频率源的相位噪声、杂散等性能指标的前提下，尽量减少频率的切换时间，以利于在一次跳频通信周期内有相对长的时间来传送有效数据，提高通信系统的抗干扰、抗多径衰落能力。
但这要求快速跳频系统中的超快速跳频PLL能够在几十微秒（μs）内稳定到所要求的相位和频率。
为达到这个要求，"乒乓"体系结构是一种非常好的解决方案。
这种结构需要两个锁相环。
其中当一个锁相环工作时，另一个锁相环锁定下一跳的频率。
频率合成器转换时间缩短，以减小信道转换过程的开销，有利于提高数传速率。
近年来由于大规模锁相环集成电路的不断推出，频率合成器线路不断简化，体积不断缩小，功耗不断降低，使得乒乓环的体积和功耗不断减小，对于稳定时间要求很短的频率合成器，乒乓环是一种很好的技术方案。
2.设计方案设计方案原理框图见图1，乒乓环频率合成器由两个带小数分频的单一锁相环（锁相环1和锁相环2）、开关电路、放大滤波电路、温补晶体振荡器、控制电路等组成。
一种宽带低相噪细步进频率合成器及频率合成方法[发明专利]
![一种宽带低相噪细步进频率合成器及频率合成方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/5ca599ff55270722182ef78c.png)
专利名称：一种宽带低相噪细步进频率合成器及频率合成方法专利类型：发明专利
发明人：梁国林,陈波,赵小松,崔建文
申请号：CN201810857663.3
申请日：20180731
公开号：CN108933597A
公开日：
20181204
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种宽带低相噪细步进频率合成器和合成方法，装置包括控制器、模数转换器、集成鉴相器、模拟开关、宽带VCO、耦合器、宽带放大器、混频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、射频放大器、梳谱发生器和晶振；宽带低相噪细步进频率合成器及频率合成方法将梳谱发生器和PLL相结合，利用PLL的选频特性以及分频功能，既实现了宽带又能做到超低相位噪声，同时在没有使用DDS的情况下又实现了细步进能力，能同时实现宽带低相噪细步进且体积小功耗低。
申请人：四川众为创通科技有限公司
地址：610000 四川省成都市高新区天宇路2号天府创业园10-1号
国籍：CN
代理机构：北京天奇智新知识产权代理有限公司
代理人：杨春
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㊀收稿日期：２０１８⁃０５⁃２５㊀作者简介：鲁长来，男，１９７７年生，高级工程师，研究方向：微波系统产品研发；汪炜，男，１９８９年生，工程师，硕士，研究方向：微波频率源产品研发；谢迟，男，１９８８年生，工程师，硕士，研究方向：微波频率源产品研发㊂一种Ｋｕ波段宽带低相噪频率合成器研制鲁长来，汪㊀炜，谢㊀迟（安徽四创电子股份有限公司，合肥２３００８８）摘㊀要：介绍一种小型周界监视雷达系统中应用的Ｋｕ波段宽带㊁低相噪频率合成器的设计方法㊂通过３种合成方案的对比，分析论证了基于三级锁相环组合直接合成电路实现方案的优势所在以及合成器的整体性能水平情况，并给出了最终研制结果㊂关键词：Ｋｕ波段；宽带频率合成器；低相噪中图分类号：ＴＮ７４㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀文章编号：１００９⁃０４０１（２０１８）０２⁃００３４⁃０４ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＫｕ⁃ｂａｎｄｗｉｄｅｂａｎｄｌｏｗｐｈａｓｅｎｏｉｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒＬＵＣｈａｎｇ⁃ｌａｉ，ＷＡＮＧＷｅｉ，ＸＩＥＣｈｉ（ＡｎｈｕｉＳｕｎ⁃ＣｒｅａｔｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｔｄ．，Ｈｅｆｅｉ２３００８８）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＫｕ⁃ｂａｎｄｗｉｄｅｂａｎｄｌｏｗｐｈａｓｅｎｏｉｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒｉｎａｓｍａｌｌａｒｅａｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎｒａｄａｒｓｙｓｔｅｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓａｍｏｎｇｔｈｅｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｐｅｒ⁃ｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒａｎｄｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｅｍｏｎｓｔｒａ⁃ｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｒｅｅＰＬＬｓｗｉｔｈｔｈｅｄｉｒｅｃｔｓｙｎｔｈｅｓｉｓｃｉｒｃｕｉｔｓ，ａｎｄｔｈｅｆｉｎａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓａｒｅａｌｓｏｇｉｖｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｋｕｂａｎｄ；ｗｉｄｅｂａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ；ｌｏｗｐｈａｓｅｎｏｉｓｅ０㊀引㊀言小型周界监视雷达设备主要用于监视㊁跟踪用户关注区域范围内地面以及近地高度空间上的行人㊁车辆㊁飞行器等各型入侵目标活动情况并适时发出安全告警信号㊂基于调频连续波体制的频扫周界监视雷达系统一方面需要很好的杂波中可见度指标特性以保证雷达在地面或环境强杂波下的小信号目标提取能力，另一方面也需要较宽的工作频率范围以保证空间波束频扫覆盖能力㊂而雷达系统要实现这些功能就必须对整机指标进行分解，落实到系统中的各个设备环节中去，具体体现到对频率源设备的技术要求主要包括低相噪㊁宽带㊁频率步进跳变㊁低杂散等性能指标项㊂在工程实践中设计人员不仅要考虑各项技术指标要求的满足情况，还要考虑选择一种相对优秀的频率合成方案，以期获得产品的最佳性价比㊂１㊀技术要求频率范围：１３．１８ １４．６８ＧＨｚ，１．５ＧＨｚ带宽跳频步进：２０ＭＨｚ，共７６个频点输出功率：＋１２ｄＢｍʃ１．５ｄＢ相位噪声：ɤ－１１０ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ，ɤ－１１３ｄＢｃ／Ｈｚ＠１００ｋＨｚ，ɤ－１２２ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ＭＨｚ杂散抑制：ȡ８５ｄＢ（１０ＭＨｚ带内），ȡ７０ｄＢ（１０ＭＨｚ带外）跳频时间：ɤ５００μｓ２㊀方案选择针对文中给出的某型Ｋｕ波段小型周界监视雷达系统频率合成器的技术要求，如果采用全模拟直接合成方法会导致大量的硬件消耗且代价高昂，而采用整第３８卷㊀第２期２０１８年６月雷达与对抗ＲＡＤＡＲ＆ＥＣＭＶｏｌ．３８㊀Ｎｏ．２Ｊｕｎ．２０１８数直接分频锁相合成方法虽然硬件简单但又会面临很大的技术指标实现风险㊂图１中给出的一种基于小数分频锁相环［１］的合成方案，采用在８０ＭＨｚ参考信号频率（Ｒ＝１）上直接鉴相，既能降低环路分频比，又可以保证输出信号的跳频步进要求，电路也很简单，但输出信号相噪的近区（偏离载频１ｋＨｚ左右）由于受到器件闪烁噪声特性的影响根本达不到－１１０ｄＢｃ／Ｈｚ的指标，相噪的中远区（偏离载频１００ｋＨｚ左右）也受到器件平底白噪声的限制无法达标，而且１３．１８ １４．６８ＧＨｚ的宽带ＶＣＯ指标受限也直接限制了输出信号相噪的远区（偏离载频１ＭＨｚ左右）指标㊂这时，即使参考源相噪很好也起不到任何改善作用，其典型相噪测试曲线如图２所示㊂图１㊀小数分频锁相环合成方案框图图２㊀小数分频锁相环方案典型相噪测试图图３给出了一种基于混频锁相环的合成方案㊂图中，ＰＬＬ１保证２０ＭＨｚ的跳频步进功能，ＰＬＬ２保证１００ＭＨｚ的跳频步进功能，采用环内混频㊁整数分频锁相电路直接产生一个Ｓ波段１．５ＧＨｚ全频带带宽的跳频频标，然后利用介质振荡取样锁相环产生Ｘ波段单点频频标，经过频谱搬移至１３．１８ １４．６８ＧＨｚ频带上㊂ＰＬＬ１与ＰＬＬ２组合达到了降低锁相分频比和宽带跳频的目的，但也存在ＰＬＬ２分频比跨度过大㊁环内宽带混频虚假抑制不够带来的相噪一致性差和环路稳定性等系列问题㊂Ｓ波段宽带ＶＣＯ指标受限造成输出信号相噪的远区（偏离载频１ＭＨｚ左右）指标不够，中近区相噪指标也临界，其典型相噪测试曲线如图４所示㊂图３㊀混频锁相环方案框图图４㊀混频锁相环方案典型相噪测试图显然，图１和图３的合成方案无法支撑本案中的技术要求实现㊂图５采用了一种三级锁相频标法合成方案，是在图３的基础上进行了改进设计，改进思路包括将环内混频移至环外㊁降低低频频标锁相分频比㊁合理分配各级频标带宽等举措㊂图中，ＰＬＬ１产生１．９２．４ＧＨｚ㊁步进１００ＭＨｚ的信号，再５分频得到０．３８０．４８ＧＨｚ㊁步进２０ＭＨｚ的Ｐ波段频标信号㊂ＰＬＬ２产生１．５ ２ＧＨｚ㊁步进１００ＭＨｚ的Ｌ波段频标信号，经与Ｐ波段频标混频后可得到１．８８ ２．４８ＧＨｚ㊁步进２０ＭＨｚ的Ｓ波段跳频信号㊂ＰＬＬ３通过介质振荡取样锁相环产生１１．９ＧＨｚ的点频信号，与１００ＭＨｚ恒温晶振６倍频产生的６００ＭＨｚ点频信号混频产生上㊁下边带两个频点信号，与１１．９ＧＨｚ信号一起送开关滤波器选择输出得到１１．３ １２．５ＧＨｚ㊁步进６００ＭＨｚ的Ｘ波段频标信号㊂最后将Ｓ波段跳频信号与Ｘ波段频标信号混频合成形成最终１３．１８ １４．６８ＧＨｚ㊁步进２０ＭＨｚ的Ｋｕ波段信号输出㊂鲁长来㊀等㊀一种Ｋｕ波段宽带低相噪频率合成器研制图５㊀三级锁相频标法合成方案框图３㊀性能分析３．１㊀相噪分析图５中Ｋｕ波段１３．１８ １４．６８ＧＨｚ合成信号的相位噪声指标主要决定于Ｐ波段频标㊁Ｌ波段频标以及Ｘ波段频标的相噪性能［２］，其他各级混频㊁放大滤波电路的噪声影响情况基本可以通过噪声加性原理［３］大致估算㊂方案中采用１００ＭＨｚ恒温晶振作为整机参考源，其相噪指标为－１５７ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ，－１６８ｄＢｃ／Ｈｚ＠１００ｋＨｚ，－１７０ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ＭＨｚ，ＰＬＬ１中器件噪声基底约为－１４８ｄＢｃ／Ｈｚ，以最高２４倍锁相倍频噪声恶化来估算，ＰＬＬ１输出信号１．９ ２．４ＧＨｚ的相噪可以达到－１１８ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ，－１１９ｄＢｃ／Ｈｚ＠１００ｋＨｚ，－１３２ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ＭＨｚ，其中远区１ＭＨｚ相噪主要是由ＶＣＯ器件决定的㊂方案中５分频器器件噪声基底约为－１４５ｄＢｃ／Ｈｚ㊂这样考虑分频器的噪声改善效果［４］，最终Ｐ频标０．３８ ０．４８ＧＨｚ输出信号的相噪水平可达－１３０ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ，－１３１ｄＢｃ／Ｈｚ＠１００ｋＨｚ，－１４０ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ＭＨｚ㊂ＰＬＬ２的噪声性能与ＰＬＬ１相当，输出的Ｌ波段频标１．５ ２ＧＨｚ信号相噪可达到－１１８ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ，－１２０ｄＢｃ／Ｈｚ＠１００ｋＨｚ，－１３２ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ＭＨｚ㊂ＰＬＬ３中介质振荡取样锁相环输出１１．９ＧＨｚ信号的相噪可达到－１１３ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ，－１２０ｄＢｃ／Ｈｚ＠１００ｋＨｚ，－１２８ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ＭＨｚ㊂晶振倍频的６００ＭＨｚ输出信号相噪为－１３８ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ，－１４５ｄＢｃ／Ｈｚ＠１００ｋＨｚ，－１５０ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ＭＨｚ，所以混频产生的Ｘ波段频标１１．３ １２．５ＧＨｚ相噪基本等同于ＰＬＬ３的输出信号噪声水平㊂综合Ｐ频标㊁Ｌ频标㊁Ｘ频标信号的相噪分布情况可得出合成后的Ｋｕ波段信号相噪指标可达到－１１２ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ，－１１６ｄＢｃ／Ｈｚ＠１００ｋＨｚ，－１２６ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ＭＨｚ，其中Ｌ频标和Ｘ频标的噪声贡献占主导地位㊂３．２㊀杂散分析本案中Ｋｕ波段合成信号的杂散分布主要来源于Ｐ㊁Ｌ㊁Ｘ三级频标信号本身以及混频电路的非线性固有特性㊂图５中ＰＬＬ１㊁ＰＬＬ２㊁ＰＬＬ３均采用１００ＭＨｚ高速鉴相器㊁整数倍频工作㊂这里锁相环电路的杂散主要来自于鉴相器的参考信号调制泄露，而这类杂散基本可以通过环路滤波器的作用控制在７５ｄＢ以上，ＰＬＬ１之后的５分频器对ＰＬＬ１的杂散抑制还有一定的改善作用㊂方案中混频电路的杂散主要通过频率窗口设计㊁电路线性化设计㊁开关滤波选频等措施解决㊂图中３路开关滤波放大１电路采用３段滤波器选频，每段滤波器带宽设计为２００ＭＨｚ，３路开关滤波放大２电路采用２个点频窄带滤波器选频㊂整体来看，方案设计上可以保证Ｋｕ波段输出信号１０ＭＨｚ带内无杂散分布，１０ＭＨｚ带外杂散抑制度不低于７５ｄＢ的性能水平㊂３．３㊀宽带跳频性能分析虽然本系统对于输出信号的跳频时间指标要求不高，但是在设计上还是要针对指标的可实现性进行论证，以免技术状态失控㊂从图５的方案架构上可以看到，真正影响本案跳频时间性能的环节是ＰＬＬ１和ＰＬＬ２两个部分，其他诸如开关滤波环节和时序控制接口电路的累计切换时间都能控制在５μｓ以内，对系统的影响因素基本可以忽略㊂ＰＬＬ１和ＰＬＬ２电路中器件选择基本一样，跳频性能基本相当，考虑到环路自身的鉴频鉴相功能㊁环路滤波电路参数配置㊁ＶＣＯ稳定度等各项影响因素，依据锁相环路经典的跳频时间估算方法［３］得到跳频时间值约为４２０μｓ左右㊂雷达与对抗㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年㊀㊀第２期４㊀测试结果依据图５技术方案研制的Ｋｕ波段频率合成器产品经过悉心调试㊁测试㊁试验验证，目前技术性能良好㊂重点针对指标要求的合成器输出信号相位噪声性能㊁宽带工作性能㊁跳变时间性能以及杂散抑制性能进行了工程测试㊂典型测试结果曲线见图６㊁图７㊁图８㊁图９㊂从曲线中可以看到，１３．１８ １４．６８ＧＨｚ频段内信号的相位噪声指标达到了－１１１ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ，ɤ－１１４ｄＢｃ／Ｈｚ＠１００ｋＨｚ，ɤ－１２４ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ＭＨｚ，具有一定的设计余量，而且各个频点之间的相噪曲线一致性较好，最长跳频时间（跳变跨度１．５ＧＨｚ）可达４００μｓ，远区（１０ＭＨｚ带外）杂散抑制可控制在７５ｄＢ以上，近区（１０ＭＨｚ带内）除噪声以外几乎没有离散的杂波信号㊂图６㊀１３．１８ＧＨｚ信号相噪测试图㊀㊀㊀图７㊀１４．６８ＧＨｚ信号相噪测试图图８㊀跳频时间（跨度１．５ＧＨｚ）测试图㊀㊀㊀图９㊀１４．６８ＧＨｚ信号杂散抑制测试图５㊀结束语本方案中综合采用小分频比整数分频锁相环㊁介质振荡取样锁相环㊁模拟混频频率搬移的途径合成了Ｋｕ波段高性能信号输出，通过三级可跳锁相频标产生方案合理分配各级频标带宽，既保证了最终输出信号宽带覆盖㊁低相噪㊁步进跳频㊁低杂散等技术指标要求，又缩减了硬件设备量，还有效规避了应用ＤＤＳ作为步进频标带来的近区高杂散抑制度难以控制的问题㊂经全面测试验证，该合成器的性能水平达到了预期的研制目标，能够满足某Ｋｕ波段小型周界监视雷达的使用需求㊂参考文献：［１］㊀凌伟．一种基于ＰＬＬ＋ＡＤＳ结构的频率合成器设计［Ｃ］／／２０１５年全国微波毫米波会议文集（上册），２０１５：６６４⁃６６７．［２］㊀弋稳．雷达接收机技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５．［３］㊀白居宪．低噪声频率合成［Ｍ］．西安：西安交通大学出版社，１９９４．［４］㊀王勇．直接频率合成器的限制因素［Ｊ］．雷达科学与技术，２０１３，１１（３）：３２９⁃３３４．鲁长来㊀等㊀一种Ｋｕ波段宽带低相噪频率合成器研制。