CN106849969A - 一种航天电子侦察五通道接收机中的k波段频率综合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器，将整数分频鉴相器与五通道接收机的控制处理芯片FPGA控制连接，方便了五通道接收机根据接收到的分路信号对整数分频鉴相器进行控制，通过压控振荡器的二分频信号输出端为整数分频鉴相器的信号输入端提供鉴相频率输入，降低了相位噪声，同时利用倍频器将压控振荡器的射频频率进一步提高到了K波，装置的元器件减少，集成度增高，既提高了输出频率又有效减小了设备体积，从而满足了航天电子侦察五通道接收机对程控式K波段频率综合器高频率、小体积、低功耗的要求。

Description

一种航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器
技术领域
本发明涉及航天电子侦察接收机和卫星通信接收机设计技术领域，尤其涉及一种航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器。
背景技术
频率综合器是电子侦察、通信、导航、雷达等电子系统实现高性能指标的关键器件，很多现代电子系统的功能实现都直接与频率综合器的性能有关，因此频率综合器被称为电子系统的“心脏”；目前，频率综合器的设计通常采用直接倍频、DDS、DRO和PLL等方法，直接倍频方法其输出端的寄生分量多，输出频率不便于程控，集成度差且体积较大；DDS在1GHz以下频率综合器应用较多，但对于K波段较高频率时，需要增加多个倍频、滤波单元，限制了其应用范围；DRO调谐带宽较窄，且频率稳定度较差；PLL方式输出频率可大范围程控，且体积小、成本低，但由于目前的PLL芯片频率限制，无法达到20GHz以上的K频段。
随着航天电子侦察技术不断发展，星载多通道侦察及通信接收机中对频率综合器的要求越来越高，目前的频率综合器无法同时满足航天电子侦察上对于小体积、宽频率范围、低相位噪声、快速跳变以及达到20GHz以上的K频段的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器，体积小，相位噪声低，且频率可达到20GHz以上的K频段。
本发明采用的技术方案为：一种航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器，包括锁相环电路和与锁相环电路的射频信号输出端相连接的倍频器，所述锁相环电路包括整数分频鉴相器、环路低通滤波器、压控振荡器和带通滤波器，所述整数分频鉴相器与五通道接收机的控制处理芯片控制连接，整数分频鉴相器的信号输出端连接环路低通滤波器的信号输入端，环路低通滤波器的信号输出端连接压控振荡器的电压控制输入端用于控制压控振荡器的输出频率，压控振荡器的二分频信号输出端连接带通滤波器的信号输入端，带通滤波器的信号输出端连接整数分频鉴相器的信号输入端用于和参考频率进行相位比较，所述压控振荡器的射频信号输出端连接倍频器的射频信号输入端。
进一步地所述整数分频鉴相器包括第一中央处理器，第一中央处理器的参考输入端连接有第二十电容C20，第一中央处理器的参考输入端与第二十电容C20的第一端相连接，第二十电容C20的第二端与第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5组成的第一π型衰减网络的输出端连接，所述第一π型衰减网络的输入端连接100MHz恒温晶体振荡器的输出端；第一中央处理器的电阻设置端连接第二电阻R2到地；第一中央处理器的模拟地端和电荷泵地端直接连接到地；第一中央处理器的射频输入补充输入端连接第二十三电容C23到地；第一中央处理器的模拟电源供电端与地间并联第二十八电容C28和第二十九电容C29，第一中央处理器的模拟电源供电端还连第一中央处理器的数字电源供电端；第一中央处理器的电荷泵电源供电端与地之间并联第十七电容C17、第十八电容C18和第十九电容C19，第一中央处理器的电荷泵电源供电端还连接+5V电源；第一中央处理器的数字电源供电端与地间并联第六电容C6、第十三电容C13和第十四电容C14，第一中央处理器的数字电源供电端还连接电源转换模块的电压输出端，电源转换模块的电压输入端与地间并联第九电容C9、第五电容C5和第二电容C2，电源转换模块的电压输入端还连接+5V电源, 电源转换模块的接地端接地；第一中央处理器的数字地端直接接地；第一中央处理器的片选使能端与地间并联第八电容C8、第十五电容C15和第十六电容C16，第一中央处理器的片选使能端还连接第一中央处理器的数字电源供电端；第一中央处理器的装载使能端与地之间串联第七电容C7，第一中央处理器的串行数据输入端与地之间串联第十一电容C11，第一中央处理器的装载使能端和串行数据输入端还分别与五通道接收机的控制处理芯片连接，第一中央处理器的串行时钟输入端直接与五通道接收机的控制处理芯片连接。
进一步地所述的环路低通滤波器包括运算放大器，运算放大器的同相输入端分别与第二十二电容C22的第一端、第六电阻R6的第一端和第一中央处理器的电荷泵输出端连接，第二十二电容C22的第二端接地，第六电阻R6的第二端连接第二十六电容C26后接地；运算放大器的反相输入端连接第九电阻R9到地，运算放大器的反相输入端还连接第七电阻R7的第一端，第七电阻R7的第二端连接第十三电阻R13的第一端，第十三电阻R13的第二端连接运算放大器的输出端；运算放大器的电源供电端与地间并联第二十一电容C21和第二十五电容C25，运算放大器的电源供电端还连接第一电感L1的第一端，第一电感L1的第二端连接+12V电源输出端，+12V电源输出端与地间还并联第一电容C1和第三电容C3。
进一步地所述压控振荡器包括第二中央处理器，第二中央处理器的电压控制输入端与运算放大器的输出端之间串联第八电阻R8，第二中央处理器的电压控制输入端还连接第三十电容C30后接地，第二中央处理器的所有N/C端、地端和第一电源输入端均直接接地，第二中央处理器的第二电源输入端与地间并联第三十二电容C32、第三十四电容C34、第三十八电容C38和第十九电容C19，第二中央处理器的第二电源输入端还连接第二电感L2的第一端，第二电感L2的第二端连接电源转换模块的电压输出端；第二中央处理器的二分频信号输出端与第十二电阻R12、第十一电阻R11和第十电阻R10所组成的第二π型衰减网络的输入端相连接，第二π型衰减网络的输出端接带通滤波器的信号输入端，带通滤波器的信号输出端连接第二十四电容C24的第一端，第二十四电容C24的第二端连接第一中央处理器的射频预分频输入端。
进一步地所述倍频器包括第三中央处理器，第三中央处理器的射频信号输入端连接第二中央处理器的射频信号输出端，第三中央处理器的N/C端和地端均直接接地，第三中央处理器的第一地端和第一电压输入端之间还并联第三十一电容C31、第三十七电容C37和第三十九电容C39，第三中央处理器的第三地端和第二电压输入端之间还并联第三十五电容C35、第三十六电容C36和第三十三电容C33，第三中央处理器的第一电压输入端和第二电压输入端还连接第三电感L3的第一端，第三电感L3的第二端与地间并联第四电容C4和第十二电容C12，第三电感L3的第二端还连接+5V电源。
进一步地还包括同轴衰减器和射频放大器，所述同轴衰减器的输入端连接第三中央处理器的射频信号输出端，同轴衰减器的输出端连接射频放大器的输入端，射频放大器的输出端连接分路器的输入端。
进一步地所述倍频器为二次倍频器。
进一步地所述第一中央处理器的型号为ADF4107。
进一步地所述第三中央处理器的型号为HMC814。
本发明将整数分频鉴相器与五通道接收机的控制处理芯片控制连接，方便了五通道接收机根据接收到的分路信号对整数分频鉴相器进行控制，通过压控振荡器的二分频信号输出端为整数分频鉴相器的信号输入端提供鉴相频率输入，降低了相位噪声，同时利用倍频器将压控振荡器的射频频率进一步提高到了K频段，装置的元器件减少，集成度增高，既提高了输出频率又有效减小了设备体积，从而满足了航天电子侦察五通道接收机对程控式K频段频率综合器高频率、小体积、低功耗的要求。
附图说明
图1为本发明的组成原理框图；
图2为本发明的电路原理图；
图3为本发明的锁相环电路的相位噪声电路仿真图。
具体实施方式
如图1、2和3所示，本发明包括锁相环电路和与锁相环电路的射频信号输出端相连接的倍频器，所述锁相环电路包括整数分频鉴相器、环路低通滤波器、压控振荡器和带通滤波器L1，所述整数分频鉴相器与五通道接收机的控制处理芯片控制连接，整数分频鉴相器的信号输出端连接环路低通滤波器的信号输入端，环路低通滤波器的信号输出端连接压控振荡器的电压控制输入端用于控制压控振荡器的输出频率，压控振荡器的二分频信号输出端连接带通滤波器L1的信号输入端，带通滤波器L1的信号输出端连接整数分频鉴相器的信号输入端用于和参考频率进行相位比较，所述压控振荡器的射频信号输出端连接倍频器的射频信号输入端。
所述整数分频鉴相器包括第一中央处理器U1，第一中央处理器U1的参考输入端(REFin)连接第二十电容C20的第一端，第二十电容C20的第二端与第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5组成的第一π型衰减网络的输出端连接，所述第一π型衰减网络的输入端连接100MHz恒温晶体振荡器的输出端，π型衰减网络可以减少驻波或反射的形成；第一中央处理器U1的电阻设置端(Rset)连接第二电阻R2到地；第一中央处理器U1的电荷泵输出端（CP）连接环路低通滤波器的输入端；第一中央处理器U1的模拟地端(CPGND)和电荷泵地端(AGND)直接连接到地；第一中央处理器U1的射频输入补充输入端(RFinB)连接第二十三电容C23到地；第一中央处理器U1的模拟电源供电端(AVDD)与地间并联第二十八电容C28和第二十九电容C29，第一中央处理器U1的模拟电源供电端(AVDD)还连第一中央处理器U1的数字电源供电端(DVDD)；第一中央处理器U1的电荷泵电源供电端（Vp）与地并联第十七电容C17、第十八电容C18和第十九电容C19，第一中央处理器U1的电荷泵电源供电端（Vp）还连接+5V电源；第一中央处理器U1的数字电源供电端(DVDD)与地间并联第六电容C6、第十三电容C13和第十四电容C14，第一中央处理器U1的数字电源供电端（DVDD）还连接电源转换模块V1的电压输出端(Vout)，电源转换模块V1的电压输入端(Vin)与地间并联第九电容C9、第五电容C5和第二电容C2，电源转换模块V1的电压输入端(Vin)还连接+5V电源, 电源转换模块V1的接地端(Gnd/adj)接地；第一中央处理器U1的数字地端（DGND）直接接地；第一中央处理器U1的片选使能端（CE）与地间并联第八电容C8、第十五电容C15和第十六电容C16，第一中央处理器U1的片选使能端（CE）还连接第一中央处理器U1的数字电源供电端(DVDD)；第一中央处理器U1的装载使能端(LE)与地之间串联第七电容C7，第一中央处理器U1的串行数据输入端(DATA)与地之间串联第十一电容C11，第一中央处理器U1的装载使能端(LE)和串行数据输入端(DATA)还分别与五通道接收机的控制处理芯片控制连接，第一中央处理器U1的串行时钟输入端(CLK)直接与五通道接收机的控制处理芯片控制连接；第一中央处理器U1的多功能输出端（MUXO）连接第一电阻R1的第一端，第一电阻R1的第二端与地间并联第一发光二极管D1和第十电容C10，第一电阻R1的第二端还连接五通道接收机的多路复用器，用于进行实验或其它备用功能。
所述的环路低通滤波器包括运算放大器F1，运算放大器F1的同相输入端分别与第二十二电容C22的第一端、第六电阻R6的第一端和第一中央处理器U1的电荷泵输出端（CP）连接，第二十二电容C22的第二端接地，第六电阻R6的第二端连接第二十六电容C26后接地；运算放大器F1的反相输入端连接第九电阻R9到地，运算放大器F1的反相输入端还连接第七电阻R7的第一端，第七电阻R7的第二端连接第十三电阻R13的第一端，第十三电阻R13的第二端连接运算放大器F1的输出端；运算放大器F1的电源供电端与地间并联第二十一电容C21和第二十五电容C25，运算放大器F1的电源供电端还连接第一电感L1的第一端，第一电感L1的第二端连接+12V电源输出端，+12V电源输出端与地间还并联第一电容C1和第三电容C3。
所述的压控振荡器包括第二中央处理器U2，第二中央处理器U2的电压控制输入端（VTUNE）与运算放大器F1的输出端之间串联第八电阻R8，第二中央处理器U2的电压控制输入端（VTUNE）还连接第三十电容C30后接地，第二中央处理器U2的所有N/C端、地端（GND）和第一电源输入端（VCC1）均直接接地，第二中央处理器U2的第二电源输入端（VCC2）与地间并联第三十二电容C32、第三十四电容C34、第三十八电容C38和第十九电容C19，第二中央处理器U2的第二电源输入端（VCC2）还连接第二电感L2的第一端，第二电感L2的第二端连接电源转换模块V1的电压输出端(Vout)；第二中央处理器U2的二分频信号输出端(RFOUT/2)与第十二电阻R12、第十一电阻R11和第十电阻R10所组成的第二π型衰减网络的输入端相连接，第二π型衰减网络的输出端接带通滤波器L1的信号输入端，带通滤波器L1的信号输出端连接第二十四电容C24的第一端，第二十四电容C24的第二端连接第一中央处理器U1的射频预分频输入端(RFinA)。
所述的倍频器包括第三中央处理器U3，第三中央处理器U3的射频信号输入端(RFIN)连接第二中央处理器U2的射频信号输出端(RFOUT)，第三中央处理器U3的N/C端和地端（GND1、GND2、GND3、GND4）均直接接地，第三中央处理器U3的第一地端（GND1）和第一电压输入端（Vdd1）之间还并联第三十一电容C31、第三十七电容C37和第三十九电容C39，第三中央处理器U3的第三地端（GND3）和第二电压输入端（Vdd2）之间还并联第三十五电容C35、第三十六电容C36和第三十三电容C33，第三中央处理器U3的第一电压输入端（Vdd1）和第二电压输入端（Vdd2）还连接第三电感L3的第一端，第三电感L3的第二端与地间并联第四电容C4和第十二电容C12，第三电感L3的第二端还连接+5V电源。
本电路中整数分频鉴相器用于比较参考输入信号经内部分频器分频后得到的参考鉴相频率和压控振荡器经内部分频器分频后而得到的射频鉴相频率之间频率/相位差，并输出相应误差电压信号，该误差电压经过环路低通滤波器的积分放大处理来控制压控振荡器的输出频率，使其不断改变，直到参考鉴相频率与射频鉴相频率的相位相等时，整数分频鉴相器输出的误差电压为零，此时环路处于锁定状态，压控振荡器的输出信号的相位跟随参考信号的变化而变化。
所述的环路低通滤波器是本电路设计的核心部分，因为本装置的误差电压范围、锁定时间、相位噪声、杂波抑制等参数均由它决定；本电路中采用了有源三阶滤波器的方案，可以更好的抑制杂波、减少相位噪声以及锁定时间，环路带宽为50kHz,同时运用ADS公司的ADIsimPLL的软件进行了仿真，大大缩短了调试过程。
本电路采用0.254mm厚的RO4350B的微波板材，压控振荡器后所有的射频信号的微带线宽必须严格按照50Ω进行设计，电路中的第一中央处理器U1采用AD公司ADF4107，倍频器采用二次倍频，倍频器中第三中央处理器U3型号为hittite公司的HMC814，采用二次倍频器可以大大减少元器件的数量，集成度更高；倍频器的输入频率范围为6.5～12.3GHz,输出频率范围为13～24.61GHz,第三中央处理器U3的射频信号输出端(RFOUT)连接输出端口。
本装置还包括同轴衰减器、射频放大器S1和六分路器P1，射频放大器S1的型号为HMC-C020，同轴衰减器的输入端连接所述输出端口，同轴衰减器的输出端接入射频放大器S1的输入端，射频放大器S1的输出端连接六分路器P1的输入端，经过六分路器P1分路后的信号其中五路分别提供给五通道接收机，另外一路用于测试和维修；通过适当调整同轴衰减器的衰减量使射频放大器S1输出电平为21dBm左右，然后该信号经六分路器P1后会有10dB左右的衰减，六分路器P1的每路输出信号的幅度则将达到11 dBm左右，完全满足一般变频器的使用要求。
本电路将整数分频鉴相器中第一中央处理器U1的串行时钟输入端(CLK)、串行数据输入端(DATA)和装载使能端(LE)均由五通道接收机的控制处理芯片FPGA统一管理，方便了五通道接收机根据接收到的分路信号对整数分频鉴相器进行控制；通过压控振荡器的内部二分频信号输出端(RFOUT/2)为整数分频鉴相器的射频预分频输入端(RFinA)提供输入，将整数分频鉴相器的射频预分频输入端(RFinA)信号进行有效降低，同时还利用二次倍频器将压控振荡器的射频频率进一步提高到了K波，且实物体积仅为77mm×50mm×15mm（不包含接插件），这样既提高了输出频率又有效减小了设备体积，从而满足了航天电子五通道接收机对程控式K波段频率综合器高频率、小体积、低功耗的要求；表1为本装置中锁相环电路的相位噪声仿真数据，表2为本装置中锁相环电路的相位噪声实测数据；从表1和表2中的数据可看出，本装置具有较高的输出频率、较低的相位噪声。
表1
表2
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器，其特征在于，包括锁相环电路和与锁相环电路的射频信号输出端相连接的倍频器，所述锁相环电路包括整数分频鉴相器、环路低通滤波器、压控振荡器和带通滤波器，所述整数分频鉴相器与五通道接收机的控制处理芯片控制连接，整数分频鉴相器的信号输出端连接环路低通滤波器的信号输入端，环路低通滤波器的信号输出端连接压控振荡器的电压控制输入端用于控制压控振荡器的输出频率，压控振荡器的二分频信号输出端连接带通滤波器的信号输入端，带通滤波器的信号输出端连接整数分频鉴相器的信号输入端用于和参考频率进行相位比较，所述压控振荡器的射频信号输出端连接倍频器的射频信号输入端。
2.如权利要求1所述的航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器，其特征在于：所述整数分频鉴相器包括第一中央处理器，第一中央处理器的参考输入端连接有第二十电容C20，第一中央处理器的参考输入端与第二十电容C20的第一端相连接，第二十电容C20的第二端与第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5组成的第一π型衰减网络的输出端连接，所述第一π型衰减网络的输入端连接100MHz恒温晶体振荡器的输出端；第一中央处理器的电阻设置端连接第二电阻R2到地；第一中央处理器的模拟地端和电荷泵地端直接连接到地；第一中央处理器的射频输入补充输入端连接第二十三电容C23到地；第一中央处理器的模拟电源供电端与地间并联第二十八电容C28和第二十九电容C29，第一中央处理器的模拟电源供电端还连第一中央处理器的数字电源供电端；第一中央处理器的电荷泵电源供电端与地之间并联第十七电容C17、第十八电容C18和第十九电容C19，第一中央处理器的电荷泵电源供电端还连接+5V电源；第一中央处理器的数字电源供电端与地间并联第六电容C6、第十三电容C13和第十四电容C14，第一中央处理器的数字电源供电端还连接电源转换模块的电压输出端，电源转换模块的电压输入端与地间并联第九电容C9、第五电容C5和第二电容C2，电源转换模块的电压输入端还连接+5V电源, 电源转换模块的接地端接地；第一中央处理器的数字地端直接接地；第一中央处理器的片选使能端与地间并联第八电容C8、第十五电容C15和第十六电容C16，第一中央处理器的片选使能端还连接第一中央处理器的数字电源供电端；第一中央处理器的装载使能端与地之间串联第七电容C7，第一中央处理器的串行数据输入端与地之间串联第十一电容C11，第一中央处理器的装载使能端和串行数据输入端还分别与五通道接收机的控制处理芯片连接，第一中央处理器的串行时钟输入端直接与五通道接收机的控制处理芯片连接。
3.如权利要求2所述的航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器，其特征在于：所述的环路低通滤波器包括运算放大器，运算放大器的同相输入端分别与第二十二电容C22的第一端、第六电阻R6的第一端和第一中央处理器的电荷泵输出端连接，第二十二电容C22的第二端接地，第六电阻R6的第二端连接第二十六电容C26后接地；运算放大器的反相输入端连接第九电阻R9到地，运算放大器的反相输入端还连接第七电阻R7的第一端，第七电阻R7的第二端连接第十三电阻R13的第一端，第十三电阻R13的第二端连接运算放大器的输出端；运算放大器的电源供电端与地间并联第二十一电容C21和第二十五电容C25，运算放大器的电源供电端还连接第一电感L1的第一端，第一电感L1的第二端连接+12V电源输出端，+12V电源输出端与地间还并联第一电容C1和第三电容C3。
4.如权利要求3所述的航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器，其特征在于：所述压控振荡器包括第二中央处理器，第二中央处理器的电压控制输入端与运算放大器的输出端之间串联第八电阻R8，第二中央处理器的电压控制输入端还连接第三十电容C30后接地，第二中央处理器的所有N/C端、地端和第一电源输入端均直接接地，第二中央处理器的第二电源输入端与地间并联第三十二电容C32、第三十四电容C34、第三十八电容C38和第十九电容C19，第二中央处理器的第二电源输入端还连接第二电感L2的第一端，第二电感L2的第二端连接电源转换模块的电压输出端；第二中央处理器的二分频信号输出端与第十二电阻R12、第十一电阻R11和第十电阻R10所组成的第二π型衰减网络的输入端相连接，第二π型衰减网络的输出端接带通滤波器的信号输入端，带通滤波器的信号输出端连接第二十四电容C24的第一端，第二十四电容C24的第二端连接第一中央处理器的射频预分频输入端。
5.如权利要求4所述的航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器，其特征在于：所述倍频器包括第三中央处理器，第三中央处理器的射频信号输入端连接第二中央处理器的射频信号输出端，第三中央处理器的N/C端和地端均直接接地，第三中央处理器的第一地端和第一电压输入端之间还并联第三十一电容C31、第三十七电容C37和第三十九电容C39，第三中央处理器的第三地端和第二电压输入端之间还并联第三十五电容C35、第三十六电容C36和第三十三电容C33，第三中央处理器的第一电压输入端和第二电压输入端还连接第三电感L3的第一端，第三电感L3的第二端与地间并联第四电容C4和第十二电容C12，第三电感L3的第二端还连接+5V电源。
6.如权利要求1-5任一所述的航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器，其特征在于：还包括同轴衰减器和射频放大器，所述同轴衰减器的输入端连接第三中央处理器的射频信号输出端，同轴衰减器的输出端连接射频放大器的输入端，射频放大器的输出端连接分路器的输入端。
7.如权利要求6所述的航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器，其特征在于：所述倍频器为二次倍频器。
8.如权利要求7所述的航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器，其特征在于：所述第一中央处理器的型号为ADF4107。
9.如权利要求8所述的航天电子侦察五通道接收机中的K波段频率综合器，其特征在于：所述第三中央处理器的型号为HMC814。
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