付 聪 （电子科技大学电工学院，四川 成都 611731）

【摘 要】频率合成在整个雷达电子系统中占有非常重要的地位。文章首先对目前常用的几种频率合成的方案（直接式、 间接锁相式、直接数字式以及混合式频率合成技术）进行了原理的阐述及简要的分析，之后着重介绍了一种应用于某雷达射频 前端的直接频率合成模块。

【关键词】频率合成；相位噪声；直接频率合成

（一）频率合成技术的简要分类 

    现代频率合成技术通常是采用某一稳定频率为基准，产 生大量具有相同精度和稳定度的频率。从上世纪70年代开始， 频率合成技术先后经历了直接模拟式(DAS) 、间接锁相式、 直接数字式(DDS)三个阶段的发展。随着现代战争中电子系统 地位的与日俱升，在应用与市场的牵引下，相应的频率合成 技术正向小型化，高指标，高稳定度方向发展。

1.直接式频率合成 

    直接模拟式频率合成是最早出现的一种频率合成器类 型，其工作原理就是用倍频、分频、混频电路对一个或几个 基准频率进行加、减、乘和除运算，从而得到所要求的频率 信号。其具有频率稳定度高、频率转换速度快、相位噪声低 等优点，但系统复杂、体积大、成本高、并且因混频环节多 容易引起较高的杂散电平，通常使用于频率点较少、相位噪 声要求高的场合。近年来随着声表面波(SAW)技术的发展，新 型的 SAW 直接式频率合成器实现了较低的相位噪声、更多的 跳频频道、快的频率捷变速度、小体积和中等价格。预计随 着 SAW 技术的成熟，SAW 直接频率合成技术将使直接模拟频率 合成器再现辉煌。

2.锁相式频率合成 

    锁相式频率合成器是采用锁相环(PLL) 进行频率合成的 一种频率合成器，锁相式频率合成器的优点是结构简单、体 积小、易于集成、调试方便、杂散低，所以应用非常广泛， 缺点是频率转换时间相对较长，难以满足对跳频时间要求快 的电子系统。

3.直接数字式频率合成 

    直接数字式频率合成(DDS)技术是采用全数字化实现方 式。DDS是一个全数字化的系统，具有易于集成、极快的跳频 速度、极高的频率分辨率和频率切换时相位连续等优点,缺点 是杂散比较大、输出频率低。

4.混合式频率合成 

    混合式频率合成是近几年非常流行的合成技术,主要有 DDS激励PLL、DDS内插PLL、DDS+倍频(DAS)、DDS+混频几种合成方式。

（二）需求分析及方案论证 

    某型雷达射频前端的频综模块要求产生一个 2.66GHz 的 连续波信号作为整个系统发射模块的本振信号。该信号的相 关技术指标要求如下： 相位噪声：-135dBc@20KHz； 杂散抑制：-60dBc； 谐波抑制：-60dBc； 信号功率：12dBm。

1.方案的选择

    点频源的设计较多的采用锁相环（PLL）进行频率合成， 结构简单、体积小、易于集成、调试方便。锁相式频率合成 的噪声源主要包括参考信号的噪声、压控振荡器噪声,鉴相噪 声和压控振荡器控制电压的噪声，由图1可知,在环路带宽内, 信号的相位噪声主要取决于鉴相器、环路滤波器和参考信号, 而在环路带宽以外信号的相位噪声主要由压控振荡器决定。 PLL典型噪声谱如图1所示：

    锁相技术带来的一个问题是：本次设计要求开机输出初 始相位保持恒定，而锁相系统的初始相位是不确定的，这也 将对后级的信号处理单元带来影响。直接式频率合成技术能 够获得比锁相更为优良的相位噪声性能且初始相位恒定，并 能够实现优于锁相环的频率捷变时间，便于实现低相位噪声 的点频信号输出。因此，选用直接式频率合成技术实现该射 频模块。

2.硬件实现 

（1）梳状谱频率生成链路的设计 

    晶振的频率是 100MHz，通过自行研制的梳状谱发生器。 经测试，在 6GHz 处的谐波信号优于-20dBm。选用其中的 1GHz， 2.2GHz 及 2.3GHz 的信号作为有用信号。其中 1GHz 的信号为 后面的信号处理提供时钟，而 2.2GHz 及 2.3GHz 的信号经过 分频混频成为发射模块的本振信号。图 2 为有用信号生成原 理图：

图 2 有用信号生成原理图

    如图 2 所示，经过前期的实验测试，梳状谱发生器后在 1GHz、2.2GHz、2.3GHz 的输出信号功率分别为 1.5dBm、 -8.5dBm、-8.5dBm。设计图 2 所示的滤波放大链路，将这三 个频点的信号分别提取出来，经过详尽的指标核算，最后得 到有用信号及其相应的功率为：1GHz：3dBm，2.2GHz：12dBm， 2.3GHz：0.5dBm。

（2）2.66GHz 频点的合成 

    对梳状谱链路产生的频点进行直接式频率合成，即可得 到功能需求的 2.66GHz 频点。鉴于小数分频的实现相对复杂 且杂散不易控制，因此采用整数分频与混频的方式进行直接 式合成：将 2.3GHz 的信号进行五分频，得到 460MHz 信号， 再将 460MHz 与 2.2GHz 的信号进行混频，这样就可以得到 2.66GHz 的本振信号。其电路原理如图 3 所示：

图 3 直接频率合成原理图

    为降低成本和减小模块体积，该方案在将合成器的射频 和本振信号选在 2.2GHz 和 2.3GHz，采用一个 2.2～2.3GHz 的介质滤波器即可实现滤波隔离作用，减少了滤波器的数量。

    这里的五分频器选用 HMC438MS8G（Hittie），混频器采用 HMC213MS8（Hittie）。在混频器的非线性特性所引入交调产 物中，如下几个频率由于功率相对较大而不能忽略：2.66GHz， 1.74GHz，2.2GHz，4.4GHz，4.86GHz。如图 3 所示，采用贴 片形式的高、低通滤波器以及 2.66GHz 介质滤波器的组合进 行滤波，降低交调产物的分量。高低通滤波器，分频器会引 入能量损耗，在链路中放置放大器保证功率，并在合适的位 置加入п型衰减器以保证增益链路的稳定性。

（3）硬件实物图

做成的频率合成以及发射模块如图 4、图 5 所示：

图 4 模块正面照片                                                                                                                   图 5 模块背面照片

（三）测试结果 

直接频率合成模块的测试结果如图 6 所示：

图 6 直接频率合成模块输出信号频谱 

    由于测试过程未使用晶振，而是由信号源提供 100MHz 的 信号。上图的边带是由信号源自身 AM-PM 调制产生。后期试 验应用 100MHz 晶振提供信号，经测试，相位噪声在偏离主频 20KHz 达到了-136dBc/Hz，2.66GHz 功率输出为 12dBm，杂散 及谐波的抑制大于 60dBc，均达到指标要求。

（四）结束语 

    本文介绍了一种基于梳状谱发生器的直接式频率合成器 设计，利用直接合成技术实现了开机相位恒定，低相噪，低 杂散的微波频率输出模块。从测试结果可以看出设计基本达 到了系统要求。一些需要改进的地方，诸如尺寸略大、功耗 略大。这些问题将在下一步的设计过程中逐步的完善。

【参考文献】 

[1] 白居宪.低噪声频率合成[M].西安:西安交通大学出版社, 1995. 

[2] Inder Bahl,Prakash Bhartia.微波固态电路设计[M].电子工业 出版社,2006. 

[3] Jerzy Gorski-Popiel. Frequency Synthesis:Techniques and Applications[M].The IEEE INC,New York,1975. 

[4] 杨檀,鲍景富.现代频率合成技术的研究进展[J].电讯技 术,2007,47(2):1-5. 

[5] 蒋涛,唐宗熙,张彪.S 波段锁相环频率合成的设计[J].电讯技 术,2008,48(8):60-62.