CN114421961A - 一种Ka频段宽带小步进频率合成器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ka频段宽带小步进频率合成器，涉及卫星通信领域。本发明由控制电路、可编程参考电路、锁相电路、放大器、倍频器、滤波器等部件组成。本发明采用多参考、高鉴相的单环锁相架构，实现超宽带本振信号输出，具有输出步进小、快速跳频、相位噪声低、杂散低、谐波低、频率范围宽、集成化程度高、功耗低、结构简单、性能稳定可靠等优点。本发明采用模块化设计，结构简单、性能稳定可靠，能够在较恶劣的环境下正常工作，特别适用于Q频段、V频段的卫星通信系统中超宽带射频通道的频率合成器实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星通信领域中的频率合成器，特别是指一种Ka频段宽带小步进频率合成器，可作为超宽带变频通道设备的本振源。
背景技术
随着Q频段、V频段卫星通信技术的发展，射频通道的通信带宽越来越大。超宽带射频通道对频率合成器的小型化、低功耗、小步进、超宽带要求越来越高。现有的宽带频率合成方案都是大步进锁相环和小步进环的多环合成方案，电路复杂，功耗、体积较大，不能满足射频通道终端的需求。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种Ka频段宽带小步进频率合成器，本发明采用多参考、高鉴相方案，具有输出步进小、快速跳频、相位噪声低、杂散低、谐波低、频率范围宽、集成化程度高、功耗低、结构简单、性能稳定可靠等特点。
本发明的目的是这样实现的：
一种Ka频段宽带小步进频率合成器，由控制电路1、可编程参考电路2、锁相电路3、第一放大器4、第一倍频器5、第一滤波器6、第一电阻器R1、第二电阻器R2、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3组成；
所述控制电路1的输入端口与外部数字接口相连接，输出端口与可编程参考电路2和锁相电路3相连接；
可编程参考电路2产生四种不同频率的参考信号，并输出到锁相电路3；
锁相电路3依据输入的参考信号和控制信号进行频率合成，通过外置的环路滤波器将本振信号良好的锁定，并将锁定后的本振信号输出到第一放大器4；
第一放大器4对本振信号进行放大后，输出到第一倍频器5；
第一倍频器5将本振信号进行二倍频后，输出到第一滤波器6；
第一滤波器6对输入的信号进行谐波抑制，并将滤波后的信号与外部相连接；
第一电阻器R1、第二电阻器R2、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3组成锁相环环路滤波器，滤除误差电压中的高频成分和噪声。
进一步的，第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3的一端均与地连接，第一电容器C1另一端和锁相电路3相连接；第一电阻器R1串联在第一电容器C1和第二电容器C2之间，第二电阻器R2串联在第一电容器C1和第三电容器C3之间。
进一步的，所述可编程参考电路2由功分器7、分频器8、第二滤波器9、第二倍频器10、第三滤波器11、第二放大器12、混频器13、第一开关14、第四滤波器15、第五滤波器16、第二开关17、第三放大器18组成；
所述功分器7与外部100MHz信号连接，二分路后输出到分频器8和第二倍频器10的输入端口；
分频器8对100MHz信号进行四分频或者五分频，分频后的信号输出到第二滤波器9；
第二滤波器9对输入信号的谐波进行抑制后，作为中频信号输出到混频13；
第二倍频器10将输入的100MHz信号进行二倍频，倍频后的信号输出到第三滤波器11；
第三滤波器11对输入信号的谐波进行抑制后，输出低杂散的200MHz信号到第二放大器12；
第二放大器12对输入的200MHz信号进行放大后，作为本振信号输出到混频器13；
混频器13将输入的中频信号和本振信号进行线性叠加后，输出到第一开关14；
第一开关14将混频信号输出到第四滤波器15或者第五滤波器16进行杂散抑制；
第四滤波器15将滤波后的信号输出到第二开关17；第五滤波器16将滤波后的信号输出到第二开关17；第二开关17对输入的信号进行选择，并将选择后的信号输出到第三放大器18；
第三放大器18对输入的信号放大后，输出到锁相电路3。
进一步的，所述控制电路1对输入的频率进行分析，并通过FPGA仿真计算，在选择175MHz、180MHz、220MHz、225MHz四个不同鉴相频率时，将15GHz～30GHz内所有频点的小数杂散偏离在主频23MHz以外，从而通过锁相电路3的窄带环路滤波特性将小数杂散滤除。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1.本发明突破传统多环合成的思维模式，以单环、高鉴相频率、多参考的小数分频架构，实现低杂散、低相噪、小步进的Ka频段宽带本振信号输出。
2.本发明采用模拟直接频率合成的方式实现鉴相频率的切换，既将鉴相频率的切换时间提高到了纳秒级，也将鉴相频率的噪声基底和杂散恶化降到了理论最低。
3.本发明集成化程度高，功耗低，调试工作量小，能够在较恶劣的环境温度-40℃～ +85℃下正常工作。
4.本发明采用优化的单环架构锁相技术，可实现22GHz～30GHz，0.1Hz步进的超宽带本振信号输出。
5.本发明电路架构简单，体积小，成本低，具有推广应用价值。
附图说明
图1是本发明的电原理方框图。
图2是图1中可编程参考电路的电原理方框图。
具体实施方式
如图1所示，一种Ka频段宽带小步进频率合成器，包括控制电路1、可编程参考电路2、锁相电路3、放大器4、倍频器5、滤波器6、电阻器R1、R2和电容器C1、C2、C3；所述控制电路1的输入端口与外部数字接口相连接，输出端口与可编程参考电路2和锁相电路3相连接；可编程参考电路2产生四种不同频率的参考信号，并输出到锁相电路3；锁相电路3依据输入的参考信号和控制信号进行频率合成，通过外置的环路滤波器将本振信号良好的锁定，并将锁定后的本振信号输出到放大器4；放大器4对本振信号进行放大后，输出到倍频器5；倍频器5将本振信号进行二倍频后，输出到滤波器6；滤波器6对输入的信号进行谐波抑制，并将滤波后的信号与外部相连接；电阻器R1、R2以及电容器C1、C2、C3组成锁相环环路滤波器，滤除误差电压中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。
如图2所示，可编程参考电路2包括功分器7、分频器8、滤波器9、倍频器10、滤波器11、放大器12、混频器13、开关14、滤波器15、滤波器16、开关17、放大器18。所述功分器7与外部100MHz信号连接，二分路后输出到分频器8和倍频器10的输入端口；分频器8对100MHz信号进行四分频或者五分频，分频后的信号输出到滤波器9；滤波器9对输入信号的谐波进行抑制后，作为中频信号输出到混频13；倍频器10将输入的100MHz信号进行二倍频，倍频后的信号输出到滤波器11；滤波器11对输入信号的谐波进行抑制后，输出低杂散的200MHz信号到第二放大器12；放大器12对输入的200MHz信号进行放大后，作为本振信号输出到混频器13；混频器13将输入的中频信号和本振信号进行线性叠加后，输出到开关14；开关14将混频信号输出到滤波器15或者滤波器16进行杂散抑制；滤波器15将滤波后的信号输出到开关17；滤波器16将滤波后的信号输出到开关17；开关17对输出的信号进行选择，并将选择后的信号输出到放大器18；放大器对输入的信号放大后，输出到锁相电路3。
控制电路1对输入的频率进行分析，并通过FPGA仿真计算，在选择175MHz、180MHz、220MHz、225MHz四个不同鉴相频率的时候，可以将15GHz～30GHz内所有频点的小数杂散偏离在主频23MHz以外，这样可以通过锁相环的窄带环路滤波特性将小数杂散滤除，进而实现小步进、低杂散、低相噪的特性。
参照图1和图2，一种Ka频段宽带小步进频率合成器，其由控制电路1、可编程参考电路2、锁相电路3、放大器4、倍频器5、滤波器6、电阻器R1、R2和电容器C1、C2、C3组成，图1是实施例的电原理方框图，实施例按图1连接线路。其中，控制电路1与外部数字接口信号相连接，实现外部协议识别和内部时序配置，实施例采用市售专用的EP3C10F256I7N制作；可编程电路2通过模拟直接频率合成产生四种不同频率的参考信号，并输出到锁相电路3中；锁相电路3依据输入的参考信号和控制信号实现小步进频率合成，实施例采用市售专用的LMX2594RHAT制作，LMX2594RHAT具有32位的小数分频模式，频率误差可以到0.05Hz，可以实现很小的频率步进；电阻器R1、R2电容器C1、C2和C3组成快速跳频环路滤波器，供锁相环芯片LMX2594RHAT实现快速锁定，实施例采用市售通用的0603电阻器和电容器制作；放大器4对基频本振信号进行放大，提供一定的增益，实施例采用市售专用的HMC516LC5制作；倍频器5对输入的基频本振信号进行二倍频，实施例采用市售专用的HMC578LC3B制作；滤波器6对输入的信号进行谐波抑制，并将滤波后的信号与外部接口B相连接，实施例采用成都塞纳赛德科技有限公司的BPF22-30GK-2624制作。
具体来说，控制电路1与外部数字接口信号相连接，对输入的控制协议进行解析，通过FPGA仿真计算出最优的鉴相频率，使得小数分频杂散偏离主频23MHz以外，并将控制信号分别输出到可编程参考电路2和锁相电路3；可编程电路2通过模拟直接频率合成产生175MHz、180MHz、220MHz、225MHz四种不同频率的参考信号之一，并输出到锁相电路3中；锁相电路3依据输入的参考信号和控制信号进行频率合成，通过外置的环路滤波器将本振信号良好的锁定，并将锁定后的本振信号（11GHz～15GHz）输出到放大器4；电阻器R1、R2电容器C1、C2和C3组成快速跳频环路滤波器，供锁相环芯片LMX2594RHAT实现快速锁定；放大器4对基频本振信号进行放大，提供一定的增益，输出到倍频器5；倍频器5对输入的基频本振信号进行二倍频，输出22GHz～30GHz；滤波器6对22GHz～30GHz的信号进行谐波抑制，并将滤波后的信号与外部接口B相连接。
参照图2，可编程参考电路2由功分器7、分频器8、滤波器9、倍频器10、滤波器11、放大器12、混频器13、开关14、滤波器15、滤波器16、开关17、放大器18组成。图2是可编程参考电路2的电原理图，实施例按图2连接线路。功分器7对输入的100MHz参考信号进行分路，实施例采用市售专用的SD-2；分频器8对100MHz信号进行四分频或者五分频，实施例采用市售专用的HMC394LP4；滤波器9对分频器8的输出信号进行滤波，滤波器为自制椭圆型LC滤波器，实施例采用市售通用的0603电感器和电容器制作；倍频器10将100MHz参考信号二倍频，实施例采用市售专用的AMK-2-13+；滤波器11对倍频后信号的谐波进行抑制，实施例采用南京基诚电子科技有限公司的NDF2319型声表滤波器；放大器12对倍频后的200MHz信号进行放大，实施例采用市售专用的SPF5043Z；混频器13将倍频后的信号和分频后的信号进行线性叠加，实施例采用市售专用的ADEX-10L；开关14、开关17，对混频后的信号进行开关选择，实施例采用市售专用的HMC349MS8G；滤波器15对高段参考信号的混频杂散进行抑制，实施例采用南京基诚电子科技有限公司的NDF2321型声表滤波器；滤波器16对低段参考信号的混频杂散进行抑制，实施例采用南京基诚电子科技有限公司的NDF2320型声表滤波器；放大器18对最终的参考信号进行放大，实施例采用市售专用的SPF5043Z。
具体来说，功分器7与外部100MHz信号连接，二分路后输出到分频器8和倍频器10的输入端口；分频器8对100MHz信号进行四分频或者五分频，分频后输出20MHz或者25MHz到滤波器9；滤波器9对20MHz或者25MHz的谐波进行抑制，作为中频信号输出到混频13；倍频器10将输入的100MHz信号进行二倍频，倍频后输出200MHz信号到滤波器11；滤波器11对200MHz信号的谐波进行抑制后输出到混放大器12；放大器12对输入的200MHz信号进行放大后，作为本振信号输出到混频器13；混频器13将输入的20MHz或者25MHz中频信号和200MHz本振信号进行线性叠加后，输出175MHz、180MHz、220MHz、225MHz信号到开关14；开关14将175MHz、180MHz输出到滤波器15进行杂散抑制或者将220MHz、225MHz输出到滤波器16进行杂散抑制；开关17对滤波后的信号进行选择，并将选择后的信号输出到放大器18；放大器18对最终的参考信号放大后，输出到锁相电路3。
本发明简要工作原理如下：
控制电路1的输入端口接输入端口的外部数字接口，识别外部接口协议并依据小数分频杂散最优算法配置锁相电路3和可编程参考电路2；功分器7的输入端口接输入端口C的外部基准源，基准源信号通过可编程参考电路2可以输出四种不同频率的参考信号；锁相电路3依据输入的参考信号和控制信号进行频率合成，通过外置的环路滤波器将本振信号良好的锁定；锁定的本振信号通过放大器4、倍频器5、滤波器6，将频率扩展到Ka频段宽带输出。首先接通电源，控制电路1通过接口和外部通信，并对可编程参考电路2和锁相电路3进行数据配置，锁相电路3输出本振的基频信号，基频信号通过放大器4、倍频器5、滤波器6输入至输出端口B。
本发明的安装结构如下：
把图1和图2中控制电路1、可编程参考电路2、锁相电路3、放大器4、倍频器5的所有元器件双面贴装在一个长×宽为72毫米×72毫米的4层印制板上,将印制板安装在屏蔽盒体内，再通过上、下盖板实现结构的密封。滤波器6采用M2螺钉固定在盒体侧壁，再通过射频电缆和倍频器5连接。输入端口采用一个15芯的J30J-15ZKWP插座，输入端口C采用SMA-KFK插座，输出端口B采用2.92-KFK插座，组装成本发明。
总之，本发明采用多参考、高鉴相的单环锁相架构，实现超宽带本振信号输出，具有输出步进小、快速跳频、相位噪声低、杂散低、谐波低、频率范围宽、集成化程度高、功耗低、结构简单、性能稳定可靠等优点。本发明采用模块化设计，结构简单、性能稳定可靠，能够在较恶劣的环境下正常工作，特别适用于Q频段、V频段的卫星通信系统中超宽带射频通道的频率合成器实现。
Claims (4)
1.一种Ka频段宽带小步进频率合成器，其特征在于，由控制电路（1）、可编程参考电路（2）、锁相电路（3）、第一放大器（4）、第一倍频器（5）、第一滤波器（6）、第一电阻器（R1）、第二电阻器（R2）、第一电容器（C1）、第二电容器（C2）、第三电容器（C3）组成；
所述控制电路（1）的输入端口与外部数字接口相连接，输出端口与可编程参考电路（2）和锁相电路（3）相连接；
可编程参考电路（2）产生四种不同频率的参考信号，并输出到锁相电路（3）；
锁相电路（3）依据输入的参考信号和控制信号进行频率合成，通过外置的环路滤波器将本振信号良好的锁定，并将锁定后的本振信号输出到第一放大器（4）；
第一放大器（4）对本振信号进行放大后，输出到第一倍频器（5）；
第一倍频器（5）将本振信号进行二倍频后，输出到第一滤波器（6）；
第一滤波器（6）对输入的信号进行谐波抑制，并将滤波后的信号与外部相连接；
第一电阻器（R1）、第二电阻器（R2）、第一电容器（C1）、第二电容器（C2）、第三电容器（C3）组成锁相环环路滤波器，滤除误差电压中的高频成分和噪声。
2.根据权利要求1所述的一种Ka频段宽带小步进频率合成器，其特征在于，第一电容器（C1）、第二电容器（C2）和第三电容器（C3）的一端均与地连接，第一电容器（C1）另一端和锁相电路（3）相连接；第一电阻器（R1）串联在第一电容器（C1）和第二电容器（C2）之间，第二电阻器（R2）串联在第一电容器（C1）和第三电容器（C3）之间。
3.根据权利要求1所述的一种Ka频段宽带小步进频率合成器，其特征在于，所述可编程参考电路（2）由功分器（7）、分频器（8）、第二滤波器（9）、第二倍频器（10）、第三滤波器（11）、第二放大器（12）、混频器（13）、第一开关（14）、第四滤波器（15）、第五滤波器（16）、第二开关（17）、第三放大器（18）组成；
所述功分器（7）与外部100MHz信号连接，二分路后输出到分频器（8）和第二倍频器（10）的输入端口；
分频器（8）对100MHz信号进行四分频或者五分频，分频后的信号输出到第二滤波器（9）；
第二滤波器（9）对输入信号的谐波进行抑制后，作为中频信号输出到混频（13）；
第二倍频器（10）将输入的100MHz信号进行二倍频，倍频后的信号输出到第三滤波器（11）；
第三滤波器（11）对输入信号的谐波进行抑制后，输出低杂散的200MHz信号到第二放大器（12）；
第二放大器（12）对输入的200MHz信号进行放大后，作为本振信号输出到混频器（13）；
混频器（13）将输入的中频信号和本振信号进行线性叠加后，输出到第一开关（14）；
第一开关（14）将混频信号输出到第四滤波器（15）或者第五滤波器（16）进行杂散抑制；
第四滤波器（15）将滤波后的信号输出到第二开关（17）；第五滤波器（16）将滤波后的信号输出到第二开关（17）；第二开关（17）对输入的信号进行选择，并将选择后的信号输出到第三放大器（18）；
第三放大器（18）对输入的信号放大后，输出到锁相电路（3）。
4.根据权利要求1所述的一种Ka频段宽带小步进频率合成器，其特征在于，所述控制电路（1）对输入的频率进行分析，并通过FPGA仿真计算，在选择175MHz、180MHz、220MHz、225MHz四个不同鉴相频率时，将15GHz～30GHz内所有频点的小数杂散偏离在主频23MHz以外，从而通过锁相电路（3）的窄带环路滤波特性将小数杂散滤除。
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|---|---|---|---|---|
| CN114944865A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-08-26 | 河北东森电子科技有限公司 | 超宽带Ka频段卫星射频单元设计及应用方法 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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