微波本振源為微波轉發設備提供本振信號和轉發信號,是該設備的核心部件之一。該設備採用大規模單片鎖相式頻率合成作為本振源取代前一代設備中的直接倍頻鏈本振源,使其可靠性、穩定性、生產性水平大大提高,而且便於模組化、小型化。大規模單片鎖相式頻率合成本振源輸出信號質量及相位噪聲越來越受到關注。本振的相位噪聲和雜散頻譜與接收機帶外無用信號混頻後，會使落入中頻通帶內的噪聲激增，該現象稱為倒易混頻，將使接收機輸出信噪比下降，嚴重影響接收機性能指標。因而設計低相噪與雜散噪聲的本振源極為重要。
頻率源是通信、雷達、空間電子設備和電視等電子系統的心臟，其性能好壞將直接影響系統的性能指標。頻率綜合技術按所經歷的發展來分類，大致可分為以下幾個技術階段：直接頻率合成DS、鎖相間接頻率合成PLL、直接數字頻率合成DDS、分數頻率合成NPLL以及混合式頻率合成等。其中，鎖相間接頻率合成是目前最成熟且使用最為廣泛的頻率合成技術之一。
在各種地面、艦載、機載以及彈載檢測雷達的使用中，許多雷達設備需要具備寬頻段、小步進的跳頻掃頻性能。因此，高性能的寬頻頻率源是保證雷達系統能夠在寬頻帶範圍內穩定以及高性能工作的前提。此外，現代寬頻雷達系統的射頻接收前端一般採用經典的超外差結構，即第一本振採用跳頻本振，使得雷達系統能夠在寬頻率範圍內進行掃描，並將接收到的射頻信號下變頻到固定的第一中頻。
基本介紹
- 中文名：本振源
- 外文名：Source
寬頻微波本振源,指標測試,寬頻跳頻鎖相,多通道開關濾波,
現代短波軟體無線電接收機將接收到的1.6～30MHz的信號，經預選濾波和低噪聲放大後與本振混頻至中頻信號，通過窄帶濾波與放大後由軟體解調終端解調。本地振盪器採用直接數字頻率合成(directdigitalsynthesizer，DDS)，保證了接收的高捷變速率與頻率解析度。但本振的相位噪聲和雜散頻譜與接收機帶外無用信號混頻後，會使落入中頻通帶內的噪聲激增，該現象稱為倒易混頻，將使接收機輸出信噪比下降，嚴重影響接收機性能指標。因而設計低相噪與雜散噪聲的本振源極為重要.
寬頻微波本振源
寬頻微波本振源主要由鎖相環、倍頻放大和開關濾波三個部分組成。其中，鎖相環部分將產生穩定的基波振盪信號，再通過倍頻放大部分實現基波頻率的倍頻，最後通過開關濾波組來進行頻率的選擇與濾波。由於頻率輸出範圍大，雜散及諧波成分複雜，鎖相環和開關濾波兩個部分的設計與實現是研製寬頻微波本振源的難點。
指標測試
DDS本振附加相噪與諧波分量測量
由AD9954片上晶振電路產生32．768MHz信號，經其內部鎖相10倍頻後，再由AD9954合成60MHz輸出信號的頻譜;由外部恆溫晶振產生32．768MHz信號，經外部10倍頻後，再由AD9954合成60MHz輸出信號的頻譜。結果均用頻譜分析儀AT5011進行觀測。因此外倍頻器有效降低了本振附加相位噪聲。再將外倍頻器方案產生的60MHz信號分別通過低通濾波器和雙亞倍頻程濾波器與緩衝放大電路組成濾波電路後的輸出信號頻譜。
由AD9954片上晶振電路產生32．768MHz信號，經其內部鎖相10倍頻後，再由AD9954合成60MHz輸出信號的頻譜;由外部恆溫晶振產生32．768MHz信號，經外部10倍頻後，再由AD9954合成60MHz輸出信號的頻譜。結果均用頻譜分析儀AT5011進行觀測。因此外倍頻器有效降低了本振附加相位噪聲。再將外倍頻器方案產生的60MHz信號分別通過低通濾波器和雙亞倍頻程濾波器與緩衝放大電路組成濾波電路後的輸出信號頻譜。
倒易混頻與靈敏度測試
本振的噪聲特性會影響接收機倒易混頻與靈敏度指標，接收機倒易混頻與靈敏度指標測試參照短波單邊帶接收機電性能國標測量方法進行匹配網路、高頻信號發生器、高頻信號發生器及低頻信號發生器和測試儀表，根據指標需要接入使用。倒易混頻指標測量，先將高頻信號發生器(1)輸出信號加至接收機輸入端，調節其輸出，接收機輸入信號電平為10dBμV，再調節接收機增益以獲得基準輸出電平;然後在混合匹配網路端由高頻信號發生器加一無用的、未調製的輸入信號，其頻率偏離發生器輸出信號20kHz，調節其輸出電平，使接收機輸出信噪比為10dB。此時高頻信號發生器的輸出電平即為倒易混頻值，用dBμV表示。
本振的噪聲特性會影響接收機倒易混頻與靈敏度指標，接收機倒易混頻與靈敏度指標測試參照短波單邊帶接收機電性能國標測量方法進行匹配網路、高頻信號發生器、高頻信號發生器及低頻信號發生器和測試儀表，根據指標需要接入使用。倒易混頻指標測量，先將高頻信號發生器(1)輸出信號加至接收機輸入端，調節其輸出，接收機輸入信號電平為10dBμV，再調節接收機增益以獲得基準輸出電平;然後在混合匹配網路端由高頻信號發生器加一無用的、未調製的輸入信號，其頻率偏離發生器輸出信號20kHz，調節其輸出電平，使接收機輸出信噪比為10dB。此時高頻信號發生器的輸出電平即為倒易混頻值，用dBμV表示。
靈敏度測量，調節高頻信號發生器的輸出電平至接收機輸入端以產生信噪比為12dB的輸出電平，此時的輸入信號電平即為接收機靈敏度，用dBm表示。
寬頻跳頻鎖相
鎖相環（PhaseLockedLoop，PLL）是一種相位比較控制系統，通過比較VCO輸出頻率與參考頻率的相位來達到提高VCO輸出頻率穩定度及降低相位噪聲的目的。與直接頻率合成和直接數字頻率合成相比，鎖相環技術具有雜散低、相位噪聲好、體積小、成本低等優點。因此，在滿足跳頻時間和頻率步進要求的情況下，鎖相環技術是實現機載以及彈載寬頻跳頻源的理想選擇。寬頻微波本振源由於輸出頻率範圍大，若採用單個鎖相環進行鎖定，將造成環路鎖定困難。因此，採取的解決方案是將本振源頻率劃為兩段，分別由兩個不同的寬頻VCO來產生所需頻率，然後再通過TTL電平控制選通開關來選擇輸出頻率及相應的鎖相環路。在根據TTL電平選擇好鎖相環路之後，本振信號的產生問題就是單個鎖相環的鎖定問題，因此分析方法與單鎖相環電路相同。單個鎖相環電路的典型結構如圖2所示，含有VCO、鑒相器、環路濾波器和分頻器等元件。
對於常用的數字鎖相環，還可以通過數字鑒相器內集成的分頻器對參考頻率f0進行1/R的預分頻，同時對fout/N射頻信號再進行M分頻，這樣得到的輸出頻率fout與參考頻率f0的關係：
fout=MN/Rf0（1）
因此，對於採用數字鑒相器的鎖相環，通過單片機輸出控制字來改變鑒相器的分頻係數M，就能達到改變輸出頻率的作用，即實現跳頻的功能。在VCO、鑒相器及分頻器選定之後，為了獲得穩定的VCO調諧電壓，需要進行環路濾波器設計。由於環路濾波器能夠起到維持環路穩定性、控制環路帶內外噪聲、防止VCO調諧電壓突變和抑制參考信號雜散干擾等重要作用，因此環路濾波器是鎖相環設計與調試的關鍵。
常用的三階有源環路濾波器，通過在三階無源環路濾波器的基礎上，加入一個起到正向放大作用的運算放大器而構成，這樣就能夠解決鑒相器輸出電壓不足的問題。環路濾波器最重要的兩個設計指標為相位裕度（Φm）和環路頻寬（ωc），前者跟環路的穩定性有關，通常選取在30°～60°之間，而後者則在環路性能上有更重要的作用。選擇小的環路頻寬能更好地抑制鑒相頻率泄露、減小調諧電壓紋波以及改善近端相位噪聲，環路頻寬通常設定在PLL模組相位噪聲和VCO相位噪聲相等的頻率點上來最佳化整個環路的相位噪聲。目前常用的數字鑒相器，其歸一化噪底能達到－219dBc/Hz。鎖相環路整體的仿真採用ADIsimPLL軟體，該軟體能夠根據用戶選擇的器件和輸入的指標參數得出環路濾波器各個器件的數值及整體電路的仿真結果。
因此，對於採用數字鑒相器的鎖相環，通過單片機輸出控制字來改變鑒相器的分頻係數M，就能達到改變輸出頻率的作用，即實現跳頻的功能。在VCO、鑒相器及分頻器選定之後，為了獲得穩定的VCO調諧電壓，需要進行環路濾波器設計。由於環路濾波器能夠起到維持環路穩定性、控制環路帶內外噪聲、防止VCO調諧電壓突變和抑制參考信號雜散干擾等重要作用，因此環路濾波器是鎖相環設計與調試的關鍵。
常用的三階有源環路濾波器，通過在三階無源環路濾波器的基礎上，加入一個起到正向放大作用的運算放大器而構成，這樣就能夠解決鑒相器輸出電壓不足的問題。環路濾波器最重要的兩個設計指標為相位裕度（Φm）和環路頻寬（ωc），前者跟環路的穩定性有關，通常選取在30°～60°之間，而後者則在環路性能上有更重要的作用。選擇小的環路頻寬能更好地抑制鑒相頻率泄露、減小調諧電壓紋波以及改善近端相位噪聲，環路頻寬通常設定在PLL模組相位噪聲和VCO相位噪聲相等的頻率點上來最佳化整個環路的相位噪聲。目前常用的數字鑒相器，其歸一化噪底能達到－219dBc/Hz。鎖相環路整體的仿真採用ADIsimPLL軟體，該軟體能夠根據用戶選擇的器件和輸入的指標參數得出環路濾波器各個器件的數值及整體電路的仿真結果。
多通道開關濾波
由於該本振源是通過基波鎖相結合倍頻技術來產生所需的本振信號，而倍頻器輸出信號中除了二次倍頻信號外，還含有基波以及三次諧波等高次諧波成分。因此，為了保證輸出信號頻譜的諧波及雜散滿足設計指標要求，在輸出本振信號前需要進行濾波。同時，由於設計頻頻寬，本振低端頻率的高次諧波和高端頻率的基波等雜散與本振信號存在頻譜重疊的情況，單個濾波器無法滿足整個寬頻本振源信號的濾波要求。因此，需要在VCO劃分頻段的基礎上，將倍頻後的本振頻率進一步劃分為三個頻段，前兩個頻段由第一個寬頻VCO產生，第三個頻段由第二個寬頻VCO產生。
單刀三擲開關
開關濾波器組的研製是基於多通道濾波技術，主要包括帶通濾波器和選擇開關。其中，射頻開關為單刀三擲（SP3T）的串－並聯結構PIN二極體開關，串－並結構能夠增大開關的隔離度。兩個二極體之間的距離為λg/4，λg為射頻信號波長。其工作原理：當電壓偏置端加負電壓時，二極體D1導通，D2截止，即開關導通；當偏置電壓為正電時，D1截止，D2導通，即開關截止。
開關濾波器組的研製是基於多通道濾波技術，主要包括帶通濾波器和選擇開關。其中，射頻開關為單刀三擲（SP3T）的串－並聯結構PIN二極體開關，串－並結構能夠增大開關的隔離度。兩個二極體之間的距離為λg/4，λg為射頻信號波長。其工作原理：當電壓偏置端加負電壓時，二極體D1導通，D2截止，即開關導通；當偏置電壓為正電時，D1截止，D2導通，即開關截止。
平行耦合帶通濾波器
在開關選通後，帶通濾波器的性能好壞將直接影響信號頻譜的純度，因此帶通濾波器的設計至關重要。其中，平行耦合微帶帶通濾波器由於具有插損小、矩形係數好和體積小等優點，被廣泛套用在微波電路系統中。由於結構及設計方法相同，介紹一路通道使用的帶通濾波器的設計和仿真過程。
根據平行耦合帶通濾波器的設計方法，首先要從歸一化低通濾波原型著手，通過計算歸一化頻率，並根據選擇的低通原型和指標要求確定濾波器的階數；然後查表得到各元件歸一化值，並計算耦合傳輸線的奇模、偶模特性阻抗，進而通過耦合線傳輸線的特性阻抗求得線寬、線長和耦合寬度等建模所需參數；最後，在仿真軟體里建立模型，進行仿真最佳化。
在開關選通後，帶通濾波器的性能好壞將直接影響信號頻譜的純度，因此帶通濾波器的設計至關重要。其中，平行耦合微帶帶通濾波器由於具有插損小、矩形係數好和體積小等優點，被廣泛套用在微波電路系統中。由於結構及設計方法相同，介紹一路通道使用的帶通濾波器的設計和仿真過程。
根據平行耦合帶通濾波器的設計方法，首先要從歸一化低通濾波原型著手，通過計算歸一化頻率，並根據選擇的低通原型和指標要求確定濾波器的階數；然後查表得到各元件歸一化值，並計算耦合傳輸線的奇模、偶模特性阻抗，進而通過耦合線傳輸線的特性阻抗求得線寬、線長和耦合寬度等建模所需參數；最後，在仿真軟體里建立模型，進行仿真最佳化。
