微波毫米波频率综合器的研制

微波毫米波频率综合器的研制 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 微波毫米波频率综合器的研制 电子科技大学 硕士学位论文 姓名:陶焕磊 申请学位级别:硕士专业:无线电物理指导教师:薛良金;张学忠 20030301 电子科技大学硕士论文 摘要 本文是在充分了解锁相环(,,,)的理论和各种频率合成技术的基础上，对微波毫米波频率综合器的理论探索和实际研制工作的。 第一章介绍了频率综合器(简称频综)的发展过程，对各种频率合成的技术进行了简单的概括和对比，简述了毫米波及其特点，并介绍了本文所作研究工作的研究目的及意义。 第二章从锁相环的基本原理出发，介绍了锁相环的几个基本部件:鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，对线性化锁相环进行了详细的分析，对数字锁相环做了详细的介绍，分析了锁相环的相位噪声模型，讨论了频综中的混频器、倍频器、分频器、放大器、振荡器、鉴相器等对频综相位噪声性能的影响，最后讨论了最佳环路参数的选取。 第三章主要介绍了本课题所涉及的微波固态电路，分为四个部分。—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 第一部分着重介绍了脉冲锁相源的工作原理注要包括取样鉴相器和介质稳频的压控振荡器)，并介绍了研制结果的性能指标:第二部分介绍了平衡式宽带低噪声放大器的基本理论、方法以及研制出的宽带低噪声放大器的性能指标;第三部分简单介绍了谐波混频器的基本理论和性能指标:第四部分简单介绍了毫米波压控振荡器电路结构和性能指标。 第四章分为三个部分。第一部分在对国内外的毫米波频综设计的对比中选取出合适的设计方案;第二部分根据第二章所讲述的理论基础上，对所选用的方案进行了系统性能的分析(在此基础上指出了提高毫米波频综性能的关键所在;第三部分在上述章节的基础上对系统指标进行了合理的分配，完成了系统性能测试。 本论文的主要贡献在丁,:在前人所做工作的基础上，综合了模拟锁相技术和数字锁相技术的优点，对一种毫米波频综的设计方案加以改进，并根据改进后的方案研制出毫米波频综，其性能指标基本满足了某工程预研的设计要求。关键词:频率综合器、毫米波、锁相环、鉴相器、压控振荡器 电子科技大学硕士论文 ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,;, ,,,,(,,,),,,,,,,,,,,,,, —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ,, ,,,？,,,;,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,;,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,(,,,),,,？,,,;,,,,,,,,,,,,,( ,,,,,,,，,, , ,,,,,, ,, ,,,,,;,,,,,,,,,,,,？,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,, ;,,,,;,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,?,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,？,,,;,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,，,,, ;,,,缸( ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,，,,;, ,, ,,,,,,,,,,,，,,打,,,;,,,,,,,,,—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ,,,,,,,;;,,,,,,,,, ,,,,,,,,,;,,,，,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,;,,,,,,,,,;,,,,,,(,;,)( ,,,,,;,,,？,,,,,,, ,,;,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,(埘,,,,,(,,,,,,,(,,,,,, 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频率综合技术已经发展了近五十年的时间，在这几十年的发展过—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 程中，频率综合技术不断成熟，不断完善，尤其是近二十年来，随着集成技术的发展，频率综合技术在不断的发生变化。现在频率合成方式主要有直接式(,,,)、间接式(锁相式)、数字式(,,,)和各种方式相结合的混合式。 直接式方式是频综发展的起点，其主要原理就是通过对频率的加、减、乘、除产生新的频率。直接式频综的特点就是频率切换速度快、相位噪声低、性能稳定可靠，但是这种合成方法在功耗、体积和杂散上存在相当大的局限。 间接式频综都采用锁相环方式实现。它最大的优点是由于低通滤波器的作用而降低了杂散电平:与直接式合成器相比，它结构简单。体积小巧。但间接式频综与直接式相比转换时间较长。环路带宽处相位噪声较大(设计不好还会出现“鼓包”现象。目前，锁相环中的各个器件集成度越来越高，各种频段压控振荡已经有集成的模块，许多频段已经有单片压控振荡器，各种分频器、倍频器、鉴期影鉴相器都已经有集成块，许多公司都把各种控制电路、程序分频器、鉴频,鉴相器等集成到一个集成块上。典型的锁相集成块有:,,,,;,,,公司的,,,,,系列、,,,,,,,,,公司的,,,,,,系列、,,,,,,,公司的,,,,,,,系列、富士通公司的,,,,,系列等，它们都包括脉冲整形电路、鉴频,鉴相电路、可编程分频电路、，,,,，,双模分频电路、控制电路、锁定指示电路等【,,，有些还包括晶振电路、压控振荡器电路等。这类集成电路的出现，给锁相式频综的研制带来很大方便，同时也大大促进了锁相—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 式频率综合技术的发展。 ,,,是,,年代初期美国,(,,,,;,，,(,(,,,,,，和,(,,,,等人首先完成的?他们完成了直接数字式频综的理论基础。到,,,,年,,,,,,,,,,研制出,,,,,,,,,,,,,,，使得,,,输出频率高达,,,,,,。后来一批学者在此基础上完成了 电子科技大学硕士论文 ,,,技术的研究。,,,有两个明显的优势，高分辨率(微赫量级)和快捷变(纳秒量级)，但是,,,也有其致命的弱点就是它的输出杂散较大，最高输出频率受到限制。尽管如此,,,技术的出现和进展对频综已经产生了巨大的影响。如采用,,,，,,,技术使得快捷变、低杂散的频综的实现变得更加简捷。 近几年来，由于各种电子系统对频综的输出频率带宽、频率分辨率、频率转换时间，以及频谱的纯净度的要求越来越高，无论单独采取那种频率综合技术都难以满足系统要求，这就要求采取几种合成方式相结合，充分发挥各自的优势。这就是混合式的频率合成方式【,,【”。 ?,(,毫米波及其特点“, 在电磁频谱中，毫米波介于微波和光波之间，低端与微波相连，而高端则和红外、光波相接，其领域兼容微波、光波两门技术学科的理论和技术，并逐渐发展成为一门知识密集和技术密集的综合性分支学科，它的发展也必然同时为信息科学、微电子技术、大气物理和材—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 料科学等方面的研究提供重要手段，从而进一步促进这些学科的发展。 毫米波的发展由其本身的固有特点所确定。短波长，宽频带以及与大气的相互作用，是促进毫米波技术发展的三个基本因素。 在毫米波频段(电磁能量在大气中传播时与大气中气体、悬浮微粒以及含水物质的相互作用要比微波能量与它们的相互作用强得多(这些相互作用通过三种机理，即吸收、散射和折射产生。 毫米波的大气传输特性，决定了各频段的用途。毫米波频段有四个低损耗大气“窗口”，它们的中心频率在舱，,,，,,,和,,,,,,附近，其对应波长分别为,(,。,(,，,(,和，(,,,，一般系统大都工作于这些“窗口”频率，其可用带宽分别为,,，,,(,,和,,,,,，任何一个毫米波“窗口”的可用带宽几乎都可以把包括微波频段在内的所有低频频段容纳在内。这些带宽特性，在雷达中可用窄脉冲和宽带调频技术获得目标的细部特征。在通信系统中能传送更多的信息，大大拓宽已十分拥挤的通信频谱，为更多用户提供互不干扰的通道。宽带特性也能为各种系统提供高质量的电磁兼容特性。同样(对应的中心频率为,,,,,，,,,和,,,,，,,这些大气高衰减区频段成为保密通信的首选工作频率。 相对于微波，毫米波波长短，可用频带宽，天线,:,径小，抗干扰能力强(多,勒效应灵敏度高，以及设备尺寸小，重量轻，机动性好。近年来，随着毫米波元器件性能的提高，毫米波系统在精确制导、电子对抗、通信技术、无线电遥感、仪器与测量等方面得到了很大的发展。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 电子科技大学硕士论文 ?,(,本课题的研究目的及意义” 一、本课题研究的背景和意义 在雷达系统中，高稳定、低相位噪声本振源可以提高接收机的灵敏度:在通信系统中，由于使用了高稳定的本振源，可以充分的利用频率资源;在电子对抗，导航等电子系统中，指标高的信号源都会给系统带来良好的性价比，从而为系统设计师提供可靠的技术屏障。 随着科学技术的进步，毫米波系统的应用越来越广泛(如:卫星、雷达、定位系统以及近年来兴起的民用通讯系统,,,,)，系统的性能要求越来越高。为了适应系统性能要求，必须提高其本振源的可靠性、稳定性、相位噪声等方面的性能。进行小型化、低功耗、高可靠、高稳定、低相位噪声的微波毫米波频综的研制，替代进口产品、提高民用通讯行业的核心技术的占有率有着重要的意义。 近些年来。国外在微波毫米波频综的研制技术已达到相当高的水平，各种形式的频综、信号源都有定型产品:国内也己广泛的开展了毫米波频段的频综的研究工作„„”“，并且取得了很大的进展，但是由于器件、工艺等方面的制约，研制出的毫米波频综与实用化尚有一定的差距。为此，开展高可靠性的毫米波频综的研制对推动军用、民用通信系统研制有着极其重要的意义。 二、项目的来源及其研究目的 本项目是某重点工程预研课题的一部分，根据工程设计对毫米波频综性能指标的要求为: —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 输出频率: 输出功率:,,(,,,,(,,,,一,,,,, 步进:?,,,,,频率稳定度:优于,×,,,,日 电子科技大学硕士论文 第二章锁相环原理 锁相就是通过自动控制完成相位同步。能够实现两个电信号相位自动同步的系统叫做锁相环(,,,,,,,;,,,,,,,)。锁相环是一个能够跟踪输入信号相位的闭环控制系统，它在无线电技术的各个领域得到了很广泛的应用。 最初，荷兰科学家,,,,,,,,;,,;于,,,,年发表了的同步检波的理论(首次公开发表了对锁相环的描述，但并未引起普遍的重视。直到,,,,年，锁相环第一次用于电视接收机水平扫描的同步，从此锁相环开始得到了应用。由于技术上的复杂性以及较高的成本(锁相环主要应用在航天领域。随着集成电路技术的发展，出现了集成的环路部件，通用单片集成锁相环以及多种专用集成锁相环，使锁相环的成本降低，为锁相技术的广泛应用提供了条件。 ?,(,锁相环的组成 锁相环是一个负反馈系统。这个负反馈系统是由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三个基本部件组成的，基本构成如图(,,,)所示。实际应用中有各种形式的电路，但是它们都是由这个基本环路演变而来的。 图,,,锁相环的基本构成 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 一、鉴相器 鉴相器是一个相位比较装置，用来监测输入信号相位？(,与输出反馈信号,,,)之间的相位差。输出的误差信号乩(,是相差见(,)的函数即: 虬,九,,,)】(,’,) 鉴相的鉴相曲线可以是多种多样，有正弦形特性、三角形特性、锯齿形特性等等。常用的正弦鉴相器可以用模拟乘法器和低通滤波器的串连做为模型，如图,,(,)所示。 ?吨弘,“。(,？鼍矩弘,,,(, ,正弦鉴相器的物理模型,正弦鉴相器的数学模型 电子科技大学硕士论文 图,—,正弦鉴相器模型 设相乘器的相乘系数为,,,，鉴相器的输入“，(,)，反馈信号?。(,)经相乘作用女。“,,)“。(,),女。,,,,,,,,。,，,，(,)】,,,,,,,(),,，,,,)】 ,:,,以,遍,蛾，岛,)，口，(,)】，吉,(,，,, “,(,),?,,，,。,,,,【,，(,—,,(,)】 令,,,,,;(,)一,:(,)】(,—,)再经过低通滤波器(,,,)滤除,(,,,分量后，得到误差电压:(,—,)以,,,,(，。 吼(,),,((,)一,,(,) 得正弦鉴相器的输出电压可以表示为: —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ?(,),,,,,,。,)(,—,)(,?,)式是正弦鉴相器数学模型表达式，图(,(,)就是正弦鉴相特性。 ,,‘,“’,?,,‘弋。?，孑，,，,,,,“胪,,,,,爪，，, 图,,,,,(,,,八,,,,,,,(,,，,正弦嚣鉴相特性 鉴相器的电路是多种多样的，总的可以分为两大类:第一类是相乘器电路，它是对输入信号波形与输出信号波形的乘积进行平均，从而获得直流的误差输出，如上面分析的那样。第二类是序列电路，它的输出电压是输入信号过零点与反馈电压过零点之间的时间差函数。因此这类鉴相器的输出只与波形的边缘有关，与其它部分无关。这类鉴相器适用于方波(也可以用正弦波通过限幅得到)输入，通常用数字电路构成(常见的集成,,,中的鉴相器大多是这种鉴相器)。 二、环路滤波器 环路滤波器具有低通特性，并对环路参数的调整起着重要作用，而且对环路的各项性能都有着重要影响。环路滤波器是一个线性电路，在时域分析中可以用一个传输算子,(,)来表示(其中,是微分算子;在频域分析中可以用传递函数,(,)表示，,(,，,?)是复频率，若用,,,,代入,(,)就可以得到它的相应频率特性 ——————————————————————————————————————