摘 要:频率源是现代雷达电子系统的重要组成部分,在雷达、通信、仪表和导航领域中都有着广泛的应用。频率源杂散性能是衡量频率源品质的一项重要指标,杂散性能直接影响了雷达接收系统的动态范围及检测能力。通过对频率源杂散产生的机理、途径进行分析,总结出频率源低杂散设计采取的技术途径及实现措施,取得良好的实际工程应用效果。

关键词:频率源;杂散;滤波器;混频器

中图分类号:TN911 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-040-02

Design of Low Spuriousious Frequency Source

MA Xiangfeng

(China Airborne Missile Academy,Luoyang,471009,China)

Abstract:Frequency source is an important component in the modern electronic system.It has popular application in the field such as radar,communication,measurement instruments and electronic navigation.The performance of spuriousious is a very important factor to measure the quality of frequency source,which should influence the dynamic range and detection capability of radar receiving system directly.The thesis analyses the way to generate spuriousious in the frequency source,and summarizes the technical ways and measures to design a low spuriousious frequency source,and acquires good engineering application effects.This work has very high reference value to the design of frequency source.

Keywords:frequency source;spurious;filter;mixer

杂散是频率合成过程中产生的不需要的频率分量,是衡量频率源好坏的一项重要指标。由于频率合成通常利用非线性来产生所需的新频率分量,在产生新频率分量的过程中必然也会产生很多不需要的频率分量,这些频率分量经滤波器等电路后往往不能被完全抑制。尤其是频率合成过程中混频器的使用将产生大量的交调、互调频率分量,不合理的设计将使滤波器无法有效滤除交调、互调频率分量,其泄漏到输出端将形成丰富的杂散分量。本文通过对频率合成过程中杂散产生的途径及其抑制措施进行分析,并通过实际工程应用总结出实现频率合成低杂散所采取的一些技术措施[1]。

1 频率源杂散分析

频率源杂散信号通过调幅、调频、调相形成,调制到输出信号上产生杂散信号,或者进入混频器产生各种交调、互调频率分量,一般有以下三种途径:

(1) 外部干扰在频率合成过程中形成的寄生信号;

(2) 频率源内部串扰产生的寄生信号;

(3) 频率合成过程中产生的新寄生信号[2]。

频率源杂散性能差将使雷达接收系统性能大大降低,严重时甚至会导致雷达接收系统无法工作。频率源杂散对雷达接收系统影响如下:

(1) 杂散与频率源本振信号自混频,产生虚假信号;

(2) 频率源杂散信号与强接收信号产生“倒易混频”,形成接收机的虚假干扰信号;

(3) 频率源杂散对雷达接收系统的选择性、动态范围及检测能力均有一定的影响[3]。

2 频率源低杂散设计

频率源设计过程中需根据频率源技术要求制定频率源初步方案、频率源的结构形式、功能模块划分及电磁兼容等,同时应进行频率设计、画出频率合成图,严格计算每一个频率合成过程的交互调分量是否满足要求,若不合适需进行调整。在频率合成方案频率设计完成后进行信号通道之间的隔离设计,同时验证模块划分是否合理,必要时进行功能模块调整。并初步计算杂散指标,若不满足指标要求则应调整修正信号之间的隔离设计[4]。

频率源低杂散设计过程中应着重关注混频比设计、滤波器设计、隔离设计和电磁兼容设计,以期得到所需的最佳低杂散信号输出。

2.1 混频比设计

频率合成过程中混频器的设计非常重要,一般应选择高隔离度、高三阶交调的混频器,目前较好的高隔离度双平衡混频器在频率低端能达到50～60 dB的隔离。混频过程中将会产生大量的交调、互调分量,在选择好的混频器基础上混频比设计显得尤为重要。若混频器的输入频率为f1和f2,则混频器输出频率为±mf1±nf2,m,n为正整数,而有用频率为f1+f2或f1-f2,所以正确选择工作频率使交调、互调频率远离有用频率,使滤波器能较容易地滤除交调、互调频率信号,减小杂散输出。考虑到滤波器性能的限制,一般混频比最佳选取范围是0.05～0.12或0.85～0.95。同时应适当减小混频器输入信号幅度、使其远离混频器三阶交调截止点,可以显著降低三阶及高阶交调产生的杂散[5]。

2.2 滤波器设计

频率源设计中通常需要使用窄带、高带外抑制的滤波器,其带外抑制常常要求70 dB以上,以尽量抑制无用频率分量。信号频率在2 GHz以下通常选用集总参数的LC滤波器,具有体积小、价格低的特点;信号频率在2 GHz以上通常选用腔体滤波器,具有带宽窄的特点,但其体积较大、价格较高。在电路设计中可以适当配合使用微带滤波器、介质滤波器及晶体滤波器等,以提高频率源的杂散抑制[6]。

信号传输中若出现不匹配将产生反射,反射信号会形成杂散干扰。滤波器前后的不匹配会大大降低滤波器性能,混频器输入、输出不匹配也会降低混频器的性能指标,因此电路中的匹配对降低杂散也非常重要。在频率源设计中滤波器常常与混频器、谐波发生器、倍频器及分频器等相连,这些电路都包含丰富的频率分量,而带通滤波器的输入、输出阻抗为50 Ω是指带内阻抗,带外阻抗不一定为50 Ω,滤波器在电路中对带外信号的反射可能会很大,导致与其相连的前后级电路性能变坏、同时也会导致滤波器自身性能变坏,因此滤波器使用时应注意与前后级电路之间的匹配,需在滤波器与其前后级电路之间加隔离措施。最简单有效的隔离措施是加宽带衰减匹配,即在电路与滤波器之间加一个50 Ω电阻衰减器,一般为2～3 dB即可。该衰减器作用有两个,一方面起到宽带匹配的作用,另一方面对滤波器前后级电路起到隔离衰减的作用[7]。

2.3 隔离设计

由于很多杂散来源于空间信号耦合及反向信号通道,仅选择好的滤波器不一定就能获得输出杂散低的效果。尤其是要求杂散抑制到70 dB以上,不同频率信号之间通道隔离好坏是杂散指标能否达到要求的关键。在电路系统设计中为了满足输出杂散指标要求,一方面需在不同频率信号通道间采用腔体隔离、滤波等措施提高通道隔离;另一方面亦需提高反向信号通道隔离,可采用加隔离器、定向耦合器及加衰减器再放大等方法。从信号隔离的角度来看,用定向耦合器再放大耦合信号比采用功分器好;从减小体积重量方面考虑,用π型电阻网络衰减再放大信号比用磁性隔离器要好[8]。隔离设计总结为以下四个方面:

(1) 信号传输隔离:对微波信号加隔离器,通过使用定向耦合器、滤波器等实现,对数字信号加驱动器、隔离门、加射随器及采取良好的匹配设计等;

(2) 信号反向隔离:反向串扰是频率源形成杂散的主要原因,尤其是数字电路、混频器等反向干扰非常严重,通常采取加隔离器、定向耦合器、衰减放大隔离等措施;

(3) 信号通道间隔离:信号通道间主要采取不同电路模块化设计、并加强屏蔽、合理走线,以提高信号通道间隔离度;

(4) 数字电路与模拟电路间隔离:采取合理设计地线、电源馈线等,数字电路与模拟电路尽量不要共用电源、更不能共地,数字信号线与模拟信号线不能交匝在一起等措施[9]。

2.4 电磁兼容设计

屏蔽措施对降低杂散也很有效。由于信号可通过地电流的耦合、地线串绕和电源线之间的耦合及电源内阻等途径相互串绕、形成杂散信号,要进一步降低输出杂散,必须进行电磁兼容设计。电磁兼容可采用加强滤波、屏蔽,科学接地、合理布线、正确馈电等措施。电路系统中通常采用屏蔽措施或者用吸波材料降低空间干扰以降低杂散。但传输信号电缆辐射往往被设计人员所忽视,一般电缆的屏蔽效果只有60 dB左右,所以在低杂散设计和低杂散测量中绝对不能忽视。在要求70 dB以上杂散抑制时,必须选用频率效果更好的电缆,并认真分析电缆线束的分布和走向等问题[10]。

综上所述,实现频率源低杂散设计中不仅要求频率源系统方案合理,还必须注意混频器混频比的合理分配;并进行滤波器指标的合理分配、滤波电路的合理设计;信号间的高隔离,特别需重视反串信号的抑制;要进行电路电磁兼容方面的合理设计,电源滤波、接地合理、信号匹配、屏蔽良好,才能最终实现频率源低杂散信号。

3 结 语

在现代雷达、通信、导航、空间电子技术及仪器仪表等电子系统中,频率源杂散性能的好坏直接决定了频率源性能指标,本文通过对频率源杂散产生途径进行分析,总结了实际工程应用中频率源低杂散设计采取的经验措施,以实现频率源低杂散指标。本项工作对于频率源低杂散工程设计具有一定的指导意义。

参考文献

[1]房治国.低噪声低杂散微波捷变频率源研究[D].成都:电子科技大学,2004.

[2]温国谊.频率合成源的分析与实现技术的研究[D].西安:西安电子科技大学,2008.

[3]白居宪.低噪声频率合成[M].西安:西安交通大学出版社,1995.

[4]陶焕磊.微波毫米波频率综合器的研制[D].成都:电子科技大学,2003.

[5]郭俊栋.L波段数字锁相频率合成器设计[D].北京:中国科学院研究生院,2008.

[6]李军.X波段微波倍频器的研制与一种频率源的设计[D].成都:电子科技大学,2004.

[7]任威.Ka波段高性能频率综合器的设计[D].成都:电子科技大学,2007.

[8]吕鹏.Ka波段毫米波频综合器的设计[D].南京:南京理工大学,2008.

[9]周丽.高分辨低杂散频率合成器的研制[D].成都:电子科技大学,2005.

[10]Rohde U L.微波和无线频率综合器[D].南京:信息产业部电子第14研究所,2000.

作者简介 马向峰 男,1976年出生,河南洛阳人,工程师。研究方向为微波电路设计。