CN114070307A - 一种宽带快速切换频率合成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带快速切换频率合成电路，涉及频率合成技术领域，包括梳谱单元、中频单元、本振单元、扩频单元和控制单元，所述梳谱单元的信号输出端分别与中频单元的信号输入端和本振单元的信号输入端连接，所述本振单元的信号输出端和中频单元的信号输出端均与扩频单元的信号输入端连接，所述扩频单元的信号输出端为频综输出。本发明采用高频参考配合梳谱发生器产生高频、大步进梳谱信号，实现点频产生单元复用；通过合理选取混频方案，复用本振、中频信号，实现输出频段有效拼接，覆盖需求宽带输出频率。通过该方案实现的频综，有效减小实现体积，提高工作频率，扩展工作频段，同时具备频率快速切换的优点。

Description

一种宽带快速切换频率合成电路
技术领域
本发明涉及频率合成技术领域，特别涉及一种宽带快速切换频率合成电路。
背景技术
频率合成器应用广泛，是雷达、干扰、通信等现代电子信息系统重要组成单元。伴随电子技术发展，各类应用系统对频率合成器各性能指标提出更高要求。在电子对抗领域，宽带输出频率可提高系统频率适用范围，快速切换能力可缩短系统响应时间，并提供多模工作方式。
频率合成技术包含锁相环频率合成技术、直接数字式频率合成技术和直接频率合成技术。锁相频率合成技术主要采用鉴相器、环路滤波器、压控振荡器形成锁相环，以反馈网络动态平衡方式实现设定频点锁定，频率切换时间通常达百us量级，难以满足频率快速切换需求；直接数字式频率合成受限于器材可用的最高时钟频率，输出频率低、输出带宽窄，难以满足微波、毫米波宽带应用需求；直接频率合成通过对参考输入混频、倍频、分频实现频率的加减乘除运算，产生需求频率，硬件占用多，合成效率低，频点少，带宽窄。
典型报道如下：
1.2014年，陈晓鹏发表论文《一种S波段低相噪捷变频率合成方法》。该方案采用80MHz参考，经1级梳线，提取30~32阶谐波，产生2.4GHz~2.56GHz本振；经1级4倍频及1级32分频产生10MHz步进的中频；再经单点本振混频，实现2090MHz~2290MHz步进10MHz的频综，但输出频率低、带宽窄。
2.2016年，罗明等人发表论文《一种小型毫米波宽带频率源设计实现》。该方案采用鉴相器配合宽带VCO实现11GHz~20GHz的锁相环电路，通过二倍频扩展频谱至22GHz~40GHz，具备输出频率高、覆盖频带宽的优点。但该方案基于锁相实现，频率切换时间由环路锁定时间决定，达百us量级，无法满足ns级应用需求。
发明内容
针对现有技术无法兼顾宽频带与频率快速切换的问题，本发明公布了一种宽带快速切换频率合成电路。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种宽带快速切换频率合成电路，包括梳谱单元、中频单元、本振单元、扩频单元和控制单元，所述梳谱单元的信号输出端分别与中频单元的信号输入端和本振单元的信号输入端连接，所述本振单元的信号输出端和中频单元的信号输出端均与扩频单元的信号输入端连接，所述扩频单元的信号输出端为频综输出，所述中频单元、本振单元、扩频单元均由控制单元控制。
进一步地：所述梳谱单元包括依次连接的参考模块、梳谱发生器和功分器。
进一步地：所述中频单元包括开关1、带通滤波器b1~带通滤波器b8、开关2、M分频器、低通滤波器和中频调整电路，所述开关1与功分器连接，所述开关1分别与带通滤波器b1~带通滤波器b8连接，所述带通滤波器b1~带通滤波器b8均与开关2连接，所述开关2输出基带信号到M分频器，所述M分频器、低通滤波器和中频调整电路依次连接，所述中频调整电路输出中频信号。
进一步地：所述M分频器输出的中频信号频率步进为f ref /M，其中，f ref 为参考模块的输出信号频率，M为分频器的分频数。
进一步地：所述带通滤波器b1~带通滤波器b8的通带频率分别为16GHz、18GHz、20GHz、22GHz、24GHz、26GHz、28GHz、30GHz点频。
进一步地：所述本振单元包括开关3、开关4、带通滤波器c1~c3和本振调整电路，所述开关3与功分器连接，所述开关3分别与带通滤波器c1~带通滤波器c3连接，所述带通滤波器c1~带通滤波器c3均与开关4连接，所述开关4连接本振调整电路。
进一步地：所述带通滤波器c1~带通滤波器c3的通带频率分别为16GHz、20GHz、24GHz点频。
进一步地：所述扩频单元包括混频器、开关5、带通滤波器d1~带通滤波器d6和开关6，所述混频器的信号输入端分别与中频调整电路和本振调整电路连接，所述混频器的输出信号与开关5连接，所述开关5分别与带通滤波器d1~带通滤波器d6连接，所述带通滤波器d1~带通滤波器d6均与开关6连接，所述开关6的信号输出端为频综输出。
进一步地：所述带通滤波器d1的通带频率为8.5GHz~12GHz，带通滤波器d2的通带频率为12.5GHz~16GHz，带通滤波器d3的通带频率为16.5GHz~20GHz，带通滤波器d4的通带频率为20GHz~23.5GHz，带通滤波器d5的通带频率为24GHz~27.5GHz，带通滤波器d6的通带频率为28GHz~31.5GHz。
进一步地：中频单元、本振单元、扩频单元均由控制单元控制。开关1~开关6均选用对应工作频率的快速切换开关，开关切换时间为ns量级。控制单元以并口形式在单个时钟周期完成控制下发，实现多开关联动切换以及ns量级频率跳变。
本发明的有益效果为：本发明采用梳谱发生器实现点频产生单元复用；采用高频参考配合梳谱发生器产生高频、大步进梳谱信号；通过合理选取混频方案，复用本振、中频信号，实现输出频段有效拼接，覆盖需求宽带输出频率。通过该方案实现的频综，有效减小实现体积，提高工作频率，扩展工作频段，同时具备频率快速切换的优点。
附图说明
图1为本发明电路原理图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种宽带快速切换频率合成电路，包括梳谱单元、中频单元、本振单元、扩频单元和控制单元，所述梳谱单元的信号输出端分别与中频单元的信号输入端和本振单元的信号输入端连接，所述本振单元的信号输出端和中频单元的信号输出端均与扩频单元的信号输入端连接，所述扩频单元的信号输出端为频综输出，所述中频单元、本振单元、扩频单元均由控制单元控制。
在本发明的一个实施例中，所述梳谱单元包括依次连接的参考模块、梳谱发生器和功分器。参考模块产生f ref =2GHz的点频，经梳谱发生器产生频率间隔为2GHz的2GHz~32GHz宽带梳谱信号，该梳谱信号经功分器均分功率后分别输入中频单元与本振单元。
所述中频单元包括开关1、带通滤波器b1~带通滤波器b8、开关2、M分频器、低通滤波器和中频调整电路，所述开关1与功分器连接，所述开关1分别与带通滤波器b1~带通滤波器b8连接，所述带通滤波器b1~带通滤波器b8均与开关2连接，所述开关2输出基带信号到M分频器，所述M分频器、低通滤波器和中频调整电路依次连接，所述中频调整电路输出中频信号。开关1、开关2均为单刀8掷开关，对梳谱单元产生的梳谱信号进行8选1选通。带通滤波器b1~带通滤波器b8，通带频率分别为16GHz、18GHz、20GHz、22GHz、24GHz、26GHz、28GHz、30GHz，分别选通对应频点信号，并对偏离中心频率±2GHz及远端梳谱信号形成有效抑制。M分频器为4分频器，对前级滤波、选通的点频基带4分频，产生4GHz~7.5GHz，步进0.5GHz中频。M分频器输出级联低通滤波器，低通滤波器滤除分频产生的高次谐波。低通滤波器输出级联中频调整电路，调整中频信号功率至合适区间。
所述本振单元包括开关3、开关4、带通滤波器c1~带通滤波器c3和本振调整电路，所述开关3与功分器连接，所述开关3分别与带通滤波器c1~带通滤波器c3连接，所述带通滤波器c1~带通滤波器c3均与开关4连接，所述开关4连接本振调整电路。开关3、开关4均为单刀3掷开关，对梳谱单元产生的梳谱信号进行3选1选通。带通滤波器c1~带通滤波器c3，通带频率分别为16GHz、20GHz、24GHz，分别选通对应点频信号，并对偏离中心频率±2GHz及远端梳谱信号形成有效抑制。开关4输出端级联本振调整电路，放大选通的点频本振，保证信号功率足以激励后级混频器。
所述扩频单元包括混频器、开关5、带通滤波器d1~带通滤波器d6和开关6，所述混频器的信号输入端分别与中频调整电路和本振调整电路连接，所述混频器的输出信号与开关5连接，所述开关5分别与带通滤波器d1~带通滤波器d6连接，所述带通滤波器d1~带通滤波器d6均与开关6连接，所述开关6的信号输出端为频综输出。中频信号f IF 分时复用，与多点本振信号f LO 混频，产生f LO +f IF 与f LO -f IF 的射频输出信号。16GHz本振与4GHz~7.5GHz中频混频，下变输出8.5GHz~12GHz，上变输出20GHz~23.5GHz；20GHz本振与4GHz~7.5GHz中频混频，下变输出12.5GHz~16GHz，上变输出24GHz~27.5GHz；24GHz本振与4GHz~7.5GHz中频混频，下变输出16.5GHz~20GHz，上变输出28GHz~31.5GHz。开关5、开关6为单刀6掷开关，实现6路选通。6支通路分别配合带通滤波器d1~带通滤波器d6，滤除上述6段混频输出中的本振杂散与高阶交调杂散。
所述带通滤波器d1的通带频率为8.5GHz~12GHz，带通滤波器d2的通带频率为12.5GHz~16GHz，带通滤波器d3的通带频率为16.5GHz~20GHz，带通滤波器d4的通带频率为20GHz~23.5GHz，带通滤波器d5的通带频率为24GHz~27.5GHz，带通滤波器d6的通带频率为28GHz~31.5GHz。
混频产生的6组频带彼此相邻、连接，有效覆盖8.5GHz~31.5GHz，无遗漏频点。
M分频器的选取由输出信号频率分辨率决定，频率步进为f ref /M，M为分频器的分频数，在实例中为0.5GHz。该方案输出的最高频率由最高本振信号频率、最高中频信号频率、分频比决定，为(n c3+ n b8/M) f ref ，在实施例中为31.5GHz；最低频率由最低本振信号频率、最高中频信号频率、分频比决定，为(n c1- n b8/M) f ref ，在实施例中为8.5GHz。
开关1~开关6均选用对应工作频率的快速切换开关，开关切换时间为ns量级。控制单元接收外部多协议模式控制输入，译码为开关1~开关6所需的控制信号，以并口形式在单个时钟周期完成控制下发，实现多开关联动切换以及ns量级频率跳变。
本发明采用梳谱发生器实现点频产生单元复用；采用高频参考配合梳谱发生器产生高频、大步进梳谱信号；通过合理选取混频方案，复用本振、中频信号，实现输出频段有效拼接，覆盖需求宽带输出频率。通过该方案实现的频综，有效减小实现体积，提高工作频率，扩展工作频段，同时具备频率快速切换的优点。采用本发明方法研制了8.5GHz~31.5GHz，步进500MHz的宽带快速切换频率合成源，频率切换时间≤50ns，较好地满足了工程应用需要。

Claims (10)

1.一种宽带快速切换频率合成电路，其特征在于，包括梳谱单元、中频单元、本振单元、扩频单元和控制单元，所述梳谱单元的信号输出端分别与中频单元的信号输入端和本振单元的信号输入端连接，所述本振单元的信号输出端和中频单元的信号输出端均与扩频单元的信号输入端连接，所述扩频单元的信号输出端为频综输出，所述中频单元、本振单元、扩频单元均由控制单元控制。
2.根据权利要求1所述的宽带快速切换频率合成电路，其特征在于，所述梳谱单元包括依次连接的参考模块、梳谱发生器和功分器。
3.根据权利要求1所述的宽带快速切换频率合成电路，其特征在于，所述中频单元包括开关1、带通滤波器b1~带通滤波器b8、开关2、M分频器、低通滤波器和中频调整电路，所述开关1与功分器连接，所述开关1分别与带通滤波器b1~带通滤波器b8连接，所述带通滤波器b1~带通滤波器b8均与开关2连接，所述开关2输出基带信号到M分频器，所述M分频器、低通滤波器和中频调整电路依次连接，所述中频调整电路输出中频信号。
4.根据权利要求3所述的宽带快速切换频率合成电路，其特征在于，所述M分频器输出中频信号的频率步进为f ref /M，其中，f ref 为参考模块的输出信号频率，M为分频器的分频数。
5.根据权利要求3所述的宽带快速切换频率合成电路，其特征在于，所述带通滤波器b1~带通滤波器b8的通带频率分别为16GHz、18GHz、20GHz、22GHz、24GHz、26GHz、28GHz、30GHz。
6.根据权利要求1所述的宽带快速切换频率合成电路，其特征在于，所述本振单元包括开关3、开关4、带通滤波器c1~带通滤波器c3和本振调整电路，所述开关3与功分器连接，所述开关3分别与带通滤波器c1~带通滤波器c3连接，所述带通滤波器c1~带通滤波器c3均与开关4连接，所述开关4连接本振调整电路。
7.根据权利要求6所述的宽带快速切换频率合成电路，其特征在于，所述带通滤波器c1~带通滤波器c3的通带频率分别为16GHz、20GHz、24GHz。
8.根据权利要求1所述的宽带快速切换频率合成电路，其特征在于，所述扩频单元包括混频器、开关5、带通滤波器d1~带通滤波器d6和开关6，所述混频器的信号输入端分别与中频调整电路和本振调整电路连接，所述混频器的输出信号与开关5连接，所述开关5分别与带通滤波器d1~带通滤波器d6连接，所述带通滤波器d1~带通滤波器d6均与开关6连接，所述开关6的信号输出端为频综输出。
9.根据权利要求8所述的宽带快速切换频率合成电路，其特征在于，所述带通滤波器d1的通带频率为8.5GHz~12GHz，带通滤波器d2的通带频率为12.5GHz~16GHz，带通滤波器d3的通带频率为16.5GHz~20GHz，带通滤波器d4的通带频率为20GHz~23.5GHz，带通滤波器d5的通带频率为24GHz~27.5GHz，带通滤波器d6的通带频率为28GHz~31.5GHz。
10.根据权利要求3或6或8所述的宽带快速切换频率合成电路，其特征在于，所述中频单元、本振单元、扩频单元均由控制单元控制，开关1~开关6均选用对应工作频率的快速切换开关，开关切换时间为ns量级，控制单元接收外部多协议模式控制输入，译码为开关1~开关6所需的控制信号，以并口形式在单个时钟周期完成控制下发，实现多开关联动切换以及ns量级频率跳变。
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