CN102497208A

CN102497208A - 一种宽频带的x波段直接式频率综合器及信号产生方法

Info

Publication number: CN102497208A
Application number: CN2011104402467A
Authority: CN
Inventors: 石龙生
Original assignee: Wuxi Huace Electronic System Co Ltd
Current assignee: Wuxi Huace Electronic System Co Ltd
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明公开了一种宽频带的X波段直接式频率综合器及信号产生方法，由频率精度高、相位噪声低的晶体振荡器作为频率频标产生电路的基准参考信号，在较低的频率上产生一系列频率间隔较小的细点频率和间隔较大的粗点频率，通过上变频和开关电路将细点频率插入到间隔较大的粗点频率中，以实现数百点的跳频功能，通过上变频、开关电路和频率选择电路输出宽频带信号，并对杂散进行有效抑制和快速跳频。所设计的小型隔振系统能有效地减小振动对相位噪声的影响。本发明相对于其他频率综合器在于：工作频带，X波段大于30%，宽带范围内杂散抑制高达75dB以上，相位噪声低，在-113~-109dBc/Hz1KHz，即使在振动情况下，相位噪声也低于-100dBc/Hz1KHz。工作温度-55℃~+70℃。重量轻，小于3.7Kg。

Description

一种宽频带的X波段直接式频率综合器及信号产生方法

技术领域

本发明涉及通信、雷达、电子对抗、测量仪表等电子设备领域，尤其涉及雷达设备中一种工作频带宽、相位噪声低、杂散抑制高、跳频速度快的X波段直接式频率综合器及信号产生方法。

背景技术

频率综合器是通信、雷达、电子对抗、测量仪表等电子设备的关键组成部分之一。由于对这些电子设备的技术要求不断提高，性能优良的频综器应该具备输出频带宽、相位噪声低、杂散抑制高、跳频速度快、环境适应能力强等特点，这也是频率综合器的发展方向。

目前，绝大多数的频率综合器采用锁相式合成(PLL)。其优点是结构简单、杂散小。由于锁相环电路的局限，其跳频时间多为数十微秒量级，无法达到1微秒的速度。如果需要达到宽频带工作的要求，锁相式频率综合器需要相应的宽带微波压控振荡器VCO，其压控灵敏度变化大，在环境条件变化较剧烈的情况工作稳定性差。也有少数采用直接式合成的雷达频率综合器，虽然其相位噪声和频率捷变性也不错，但工作频带一般只有10％左右。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种工作频带宽、相位噪声低、杂散抑制高、跳频速度快、适应能力强的X波段直接式频率综合器及利用该频率综合器产生信号的方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种宽频带的X波段直接式频率综合器，包括晶体振荡器电路、频率频标产生电路、上变频电路；所述晶体振荡器电路作为基准参考信号产生源连接所述频率频标产生电路；所述上变频电路包括第一上变频单元、第二上变频单元、第三上变频单元、第一开关选择电路，第二开关选择电路，第三开关选择电路、第一高波段频标、第二高波段频标；所述频率频标产生电路输入第一低波段频标和20个细点频率于所述第一上变频单元得到20个低波段细点频率，输入5个粗点频率于所述第二上变频单元，输入第二低波段频标于所述第三上变频单元；所述第二上变频单元包括第一上变频器和第二上变频器，所述第一高波段频标和所述第二高波段频标通过第三开关选择电路连接所述第一上变频器并通过所述第一上变频器得到频率覆盖所述频率综合器二分之一带宽的10个高波段粗点频率，将所述10个高波段粗点频率和所述20个低波段细点频率输入所述第二变频器得到X波段频率的具有200个跳频点的一本振输出信号，所述一本振输出信号输入第一开关选择电路和第二开关选择电路后得到其频率覆盖范围略大于所述频率综合器二分之一带宽的信号；所述一本振输出信号输入第一开关选择电路后输入所述第三上变频单元，所述第三上变频单元输出频率覆盖范围等于所述频率综合器二分之一带宽的另一半一本振信号，所述另一半一本振信号可通过第二开关选择电路输出。

进一步的，所述电路设有隔振器。

应用所述综合器的宽频带信号输出方法，其特征在于，将100MHz的晶体振荡器电路设为基准参考信号，第一高波段频标或第二高波段频标由第三开关选择电路进行选择，将所述频率频标产生电路产生的第一低波段频标信号、第二低波段频标信号、间隔10MHz的20个细点频率信号分别输入到第一上变频单元、第三上变频单元和第一上变频单元，将第一高波段频标或第二高波段频标产生的信号和所述频率频标产生电路产生的间隔200MHz的5个粗点频率信号输入到第二上变频单元中第一上变频器，得到覆盖所述频率综合器二分之一带宽高波段10个粗点频率信号，所述20个细点频率信号与第一低波段频标信号通过第一上变频单元得到低波段20个细点频率信号，所述低波段20个细点频率信号和高波段10个粗点频率信号在第二上变频单元中第二上变频器合成得到X波段频率间隔为10MHz的200个跳频点的一本振输出信号，将该输出信号经第一开关选择电路与第二低波段频标信号在第三上变频单元中合成得到频率覆盖范围略等于所述频率综合器二分之一带宽的另一半一本振信号。，将所述一本振输出信号和所述另一半一本振信号通过所述第二开关选择电路进行选择输出。

本发明的有益效果在于：由频率精度高、相位噪声低的晶体振荡器作为频率频标产生电路的基准参考信号，在较低的频率上产生一系列频率间隔较小的细点频率和间隔较大的粗点频率，通过上变频和开关电路将细点频率插入到间隔较大的粗点频率中，以实现数百点的跳频功能，通过上变频、开关电路和频率选择电路输出宽频带信号，并对杂散进行有效抑制和快速跳频。所设计的小型隔振系统能有效地减小振动对相位噪声的影响。本发明相对于其他频率综合器在于：工作频带，X波段大于30％，宽带范围内杂散抑制高达75dB以上，相位噪声低，在-113^--109dBc/Hz1KHz，即使在振动情况下，相位噪声也低于-100dBc/Hz1KHz。工作温度-55℃^-+70℃。重量轻，小于3.7Kg。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明在频带低端偏离载频1KHz时的相位噪声测试结果图；

图3为本发明的频谱曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

一种宽频带的X波段直接式频率综合器，其工作原理框图见图1，图中100MHz频率精度高、低相噪晶体振荡器1为基准参考信号，并输入到频率频标产生电路即细点粗点频率产生电路和低波段频标产生电路2，该电路产生间隔10MHz的20个细点频率、间隔200MHz的5个粗点频率、第一低波段频标信号和第二低波段频标信号。将20个细点频率与第一低波段频标输入第一上变频单元5得到低波段20个细点频率。

第二上变频单元6包括两个上变频器。第一高波段频标3与第二高波段频标4频率相差大于频率综合器的四分之一频率带宽，第一高波段频标3和第二高波段频标4由开关控制电路9(图示中开关即为开关控制电路，开关控制电路将外部控制信号转换成开关和滤波器组成的频率选择电路所需的控制信号，由于跳频的时间主要取决于开关速度，直接式频率综合器可达到小于1微秒的跳频时间)进行选择。将第一高波段频标3或第一高波段频标4和5个粗点频率输入到第二上变频单元6中第一个上变频器，得到频率覆盖频率综合器二分之一带宽高波段10个粗点频率，再和第一上变频单元5输出的低波段20个细点频率在第二上变频单元6中第二个上变频器合成得到X波段频率间隔为10MHz的200个跳频点的一本振输出信号，其频率频率覆盖范围略大于频率综合器的二分之一带宽。而后由该信号经开关与第二低波段频标信号在第三上变频单元中合成得到频率覆盖范围略等于频率综合器二分之一带宽的另一半一本振信号。最后实现了在X波段大于30％带宽范围有400个跳频点的一本振信号。

设100MHz晶体振荡器相位噪声＝-155dBc/Hz，偏离载频1kHz，频率产生电路相位噪声＝晶振参考相噪+201g(N)+3，式中N为谐波数，按第一低波段频标和第二低波段频标最高频率计算。低波段频标输出最大相位噪声＝-155+201g(N)+3＝-128dBc/Hz，偏离载频1kHz。高波段频标相位噪声＝晶振参考相噪+201g(N)+3，式中N为高波段频标频率对晶振100MHz频率的倍频，按高波段频标最高频率计算。高波段频标输出最大相位噪声＝-155+201g(N)+3＝-116dBc/Hz，偏离载频1kHz。

式中n₁、n₂为上变频器两个输入频率的相位噪声，单位为dBc。低波段频标电路相位噪声比高波段频标相位噪声对频率综合器最终相噪影响较小，主要由晶体振荡器相位噪声决定，考虑到3个上变频单元相位噪声的损失2dB后，该频率综合器相噪应可以达到-114dBc/Hz。附图2为实测X波段直接式频率综合器在频带低端偏离载频1KHz时的相位噪声。直接式频率综合器通过多个倍频、分频和上变频电路对频率进行加减乘除四则运算合成符合频率带宽和跳频间隔的一系列信号。对于倍频和分频电路而言，用滤波器可以很容易输出所要的输出频率，滤除其周围的杂散信号。但是对于上变频电路，由于其非线性，当两个信号输入后，将产生mf₁±nf₂互调分量频率，其中m、n为正整数1、2、3...，f₁、f₂为输入信号频率，除了f₁+f₂上变频信号为有用信号外，其它信号分量均为杂散。如果对上变频器输入信号频率和电路选择不当，部分杂散信号会落入滤波器通带或过渡带内，特别是输出频带很宽、频率很多的情况下杂散就更加严重。要让所有的输出频率上杂散信号在滤波器通带外并被很好的抑制是十分困难的。因此，杂散抑制是宽频带直接式频率综合器的关键技术。

本发明中采用3个上变频单元，其中，第二上变频单元6包括有两个上变频器，具体设计的方法是先要计算出每个上变频器输出频率f₁、f₂所有互调分量的频率，然后计算经过滤波器后的杂散输出。通过选择合理的上变频器输入频率、合理的器件以及合适矩形系数的带通滤波器可以满足整个频带内所有输出频率达到杂散小于-75dB的要求。图3为X波段直接式频综器频谱曲线，直接式频率综合器的跳频时间主要是由开关的转换时间和滤波器和电路的延迟时间决定。由于开关的转换时间小于100ns，滤波器的时间与带宽有关，本频综器滤波器的带宽都大于10MHz，因此滤波器的延迟时间很短。本频综器的跳频时间主要由开关转换时间决定。直接式频率综合器由两个模块组成，为了改善产品的抗震性能，防止盒体及电路元器件在振动频率范围可能出现的共振，增强了外部框架和内部连接的刚度，增加电路板螺钉的数量和印制板的厚度。由于使用条件的限制，在结构设计方面对振动敏感器件和电路，用小型化隔振器进行隔振设计，此类隔振器谐振频率低。对这部分器件、电路单独做振动试验相噪恶化约6～9dBc/Hz，隔振效果较好。

本发明专利不仅限于上述实施例所示的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或者改进等，均应该包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种宽频带的X波段直接式频率综合器，其特征在于，包括晶体振荡器电路、频率频标产生电路、上变频电路；所述晶体振荡器电路作为基准参考信号产生源连接所述频率频标产生电路；所述上变频电路包括第一上变频单元、第二上变频单元、第三上变频单元、第一开关选择电路，第二开关选择电路，第三开关选择电路、第一高波段频标、第二高波段频标；所述频率频标产生电路输入第一低波段频标和20个细点频率于所述第一上变频单元后得到20个低波段细点频率，输入5个粗点频率于所述第二上变频单元，输入第二低波段频标于所述第三上变频单元；所述第二上变频单元包括第一上变频器和第二上变频器，所述第一高波段频标和所述第二高波段频标通过第三开关选择电路连接所述第一上变频器并通过所述第一上变频器得到频率覆盖所述频率综合器二分之一带宽的10个高波段粗点频率，将所述10个高波段粗点频率和所述20个低波段细点频率输入所述第二变频器得到X波段频率的具有200个跳频点的一本振输出信号，所述一本振输出信号输入第一开关选择电路和第二开关选择电路后得到其频率覆盖范围略大于所述频率综合器二分之一带宽的信号；所述一本振输出信号输入第一开关选择电路后输入所述第三上变频单元，所述第三上变频单元输出频率覆盖范围等于所述频率综合器二分之一带宽的另一半一本振信号，所述另一半一本振信号可通过第二开关选择电路输出。

2.根据权利要求1所述的一种宽频带的X波段直接式频率综合器，其特征在于，所述电路设有隔振器。

3.应用权利要求1所述综合器的宽频带信号产生方法，其特征在于，将100MHz的晶体振荡器电路设为基准参考信号，第一高波段频标或第二高波段频标由第三开关选择电路进行选择，将所述频率频标产生电路产生的第一低波段频标信号、第二低波段频标信号、间隔10MHz的20个细点频率信号分别输入到第一上变频单元、第三上变频单元和第一上变频单元，将第一高波段频标或第二高波段频标产生的信号和所述频率频标产生电路产生的间隔200MHz的5个粗点频率信号输入到第二上变频单元中第一上变频器，得到覆盖所述频率综合器二分之一带宽高波段10个粗点频率信号，所述20个细点频率信号与第一低波段频标信号通过第一上变频单元得到低波段20个细点频率信号，所述低波段20个细点频率信号和高波段10个粗点频率信号在第二上变频单元中第二上变频器合成得到X波段频率间隔为10MHz的200个跳频点的一本振输出信号，将该输出信号经第一开关选择电路与第二低波段频标信号在第三上变频单元中合成得到频率覆盖范围略等于所述频率综合器二分之一带宽的另一半一本振信号，所述一本振输出信号和所述另一半一本振信号通过第二开关选择电路输出。