某型导引头小型化频率综合器的研制

摘要：频率源是现代通讯系统必不可少的关键电路，是决定电子系统性能的关键设备。雷达、电子对抗、通讯等技术的迅猛发展，对频率源提出了越来越高的要求。文中论述了一种小型化雷达导引头用频率综合器的设计和实现。在方案论证中对各项指标做了细致的分析，保证了方案的可行性。实际测试证明该系统有着很好的性能表现。
关键词：频率捷变；频率合成器；导引头

    本频率综合器用于某型雷达导引头．产生全系统所需各种频率的全相参信号，主要有发射中频信号、本振中频信号、微波基准信号、相参本振信号、系统时钟信号。其输出信号形式为非线性调频、简单脉冲信号、步进频信号。频综系统要求重量轻、体积小，冲击与振动符合弹载要求并有良好的电磁兼容性。

1 系统主要指标及方案
1．1 主要指标
    (1)发射中频信号
    中心频率：L波段；
    相位噪声：≤-90dBc／Hz@1kHz；
    杂散：≤-60dBc；
    谐波：≤-45dBc；
    信号形式：非线性调频脉冲信号与简单脉冲信号可选。
    ①非线性调频脉冲信号
    调频带宽：5MHz；
    脉冲宽度：1．2μs 20μs 80μs可控；
    脉冲重复周期：<300μs可变；
    ②简单脉冲
    脉冲宽度：200ns；
    脉冲重复周期：<300μs可变。
    (2)微波基准信号
    起始频率：X波段；
    信号形式：点频连续波与步进频信号可选；
    调频间隔：1MHz；
    调频点数：128点；
    调频时间：≤20μs；
    相位噪声：<-99dBc／Hz@1kHz；
    振动环境下相位噪声恶化： <25dB (偏离载频1kHz)；
    杂散：<-60dBc&plusmn;3MHz带外，<-75dBc；&plusmn;3MHz带内。
1．2 系统方案设计
    由指标可以看出，该系统输出相噪与杂散要求指标较高，且要实现快速的步进频信号。所以使用单个锁相环难以实现，因此采用了乒乓环的形式。锁相环芯片选用AD公司ADF4107，鉴相频率6MHz，产生步进间隔6MHz的C波段信号，六分频后产生步进间隔1MHz的P波段信号，最后与X波段信号相混频产生所需的微波基准信号。
    波形产生选用AD公司的AD9957。恒温晶振输出作为AD9957参考时钟，通过AD9957芯片内部锁相环电路倍频至所需系统时钟。将非线性调频信号的I路和O路数据写入控制FPCA的内部RAM中，通过一定的时序以发射触发脉冲前沿作为信号输出，在AD9957内部将基带数据调制到240MHz载频上。点频PLL产生L波段信号，与AD9957输出信号混频产生所需的发射中频信号(见图1)。

2 系统性能指标分析论证
2．1 相位噪声分析
    发射中频信号是由AD9957输出的信号与PLL点频源输出的L波段信号混频得到。AD9957的内部1GHz系统时钟由外部出入参考信号经过其内部锁相倍频得到。AD9957参考手册中50MHz输入使用内部倍频器倍频至1GHz输出201．1MHz，偏离载频1kHz处相位噪声为-118dBc／Hz，由此推定AD9957输出信号相位噪声应小于-110dBc／Hz@1kHz，L波段信号是由恒温晶振信号作为参考输入，以12MHz作为鉴相频率进行104次倍频获得。采用集成锁相环AD4107，其噪声基底为-219 dBc／Hz@1kHz，所以输出L波段信号相噪为：-219+20lg104+10lg12000000=-107．8dBc／  Hz@1kHz。假设混频后附加3dB损失，获得的发射中频信号相位噪声应优于-104dBc／Hz@1kHz，满足指标要求。
    微波基准信号是由乒乓环输出C波段信号六分频后产生P波段信号，再与X波段信号相混频滤波得到。乒乓环中输出最高频率为4836MHz，两个锁相环均以6MHz作为鉴相频率，因此其相噪最差为-219+20lg (4836／6)+10lg (6000000)=-93 dBe／Hz@1kHz，经过6分频后相位噪声为：-93-20lg(6)=-108 dBc／Hz@1kHz。X波段信号是由恒温晶振信号倍频得到，相位噪声为-105 dBc／Hz@1kHz。混频后附加3dB损失，则微波基准信号相噪为：-102dBc／Hz@1kHz，满足指标要求。
2．2 杂散及谐波分析
    频率合成中，杂散信号的来源主要由于倍频、混频及信号通道之间的串扰造成。
    发射中频信号是由L波段信号与DDS输出的240MHz信号混频得到，DDS输出的杂散在-70dBc以下，L波段信号是由锁相环产生，其杂散主要是鉴相频率以及鉴相频率的各次谐波所产生。这种杂散的抑制可以依靠优化环路滤波器等各种措施来完成，可以做到-70 dBc以下。混频后的杂散通过滤波器滤除可优于-65dBc，谐波优于-50dBc。
    微波基准信号是由乒乓环输出C波段信号六分频后产生P波段信号，再与X波段信号相混频滤波得到。X波段的杂散主要是240MHz的各次谐波，通过滤波器可将杂散抑制在-80dBc以下，乒乓环输出杂散在-70dBc以下，经分频后杂散优于-80dBc。由于目前二选一开关隔离可以做到-85 dB以下，因此而两个锁相环通过二选一开关泄漏到另一路所引起的杂散可以忽略。混频后的杂散通过滤波器滤除到-75dB以下，并对谐波进行抑制，最终输出的微波基准信号杂散应优于-75 dB。

3 结构设计
    由于是弹载应用，考虑到体积重量要求以及振动冲击等工作环境，频综结构设计时尽量减少多余电路和腔体，并通过合理选择同定方式保证整体强度。频率综合器采用两个模块，并分别使用钢丝绳减振器进行震动隔离。模块一含频标信号产生板、发射中频信号产牛板、电源板；模块二含低频信号产生板、倍频滤波放大组件。两个模块之间通过9芯微矩形连接器插座进行电源的连接，通过SSMA接头射频电缆进行射频信号的连接。

4 测试结果
    系统的相位噪声，杂散抑制，谐波抑制和输出功率等指标采用Agilent公司E5052信号源分析仪、E4447频谱分析仪测出。部分测试结果如图2所示。

    经测试，该频综系统满足系统要求指标。

5 结束语
    此型导引头小型化频率综合器的成功研制保证了该导引头电子设备的整机性能，积累了设计经验，并为以后的类似设计提供了一定的参考价值。