CN114884468B - 一种毫米波快速宽带频率合成电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波快速宽带频率合成电路及其实现方法，主要解决现有直接频率合成方式存在的尺寸大、功耗高、频率步进大的问题。该合成电路由高频独立频标、开关矩阵网络、初始混频模块、K波段开关滤波网络、低频独立频标、二次混频电路、Ka波段开关滤波网络、频段切换电路组成。通过上述设计，本发明方法得到的合成频率在相应频点杂散抑制高、跳频速度快，是对现有的频率实现方法的一次提升，该方法相比于传统的直接合成式频率合成器尺寸更小、实现的频率步进更小、频段范围更宽，相比于现有的宽带快速频率实现方法，其频点更少、功耗更低、工作电压更低、更小型化；相比于传统锁相环，其优势在于跳频速度可以得到量级的突破。

Description

一种毫米波快速宽带频率合成电路及其实现方法

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，具体地说，是涉及一种毫米波快速宽带频率合成电路及其实现方法。

背景技术

随着微波毫米波系统技术的发展，低频率的频谱资源已经被不断占用，尤其是对于通信和雷达系统，必须向着更高的频段发展，特别是毫米波频段，且随着半导体工艺技术的发展，射频微波毫米波系统的元器件也逐渐变多，已逐渐应用于如5G通信、77GHz汽车雷达、Ka波段成像雷达等系统中。

在微波毫米波技术领域，频率合成技术是最为核心的一项技术，随着频率不断升高，微波毫米波频率合成技术成为极其重要的微波毫米波技术之一。

在微波毫米波频率合成技术领域，最开始的研究阶段主要是以提高输出频率为主，只要能提供相应频段的频率输出即可，但是随着雷达和通信系统对频率合成性能要求不断提高，以及PLL(锁相环)相位噪声性能和输出频率不断提升，频率合成技术的研究转而向提高带宽、频率分辨率和跳频速度方向发展。

频率源输出带宽的提高主要通过提高VCO的带宽实现，继而再通过一些列扩频的方式，目前在Ku、K、Ka频段已有成熟的设计方法；频率源输出的频率分辨率则是通过将DDS(直接数字频率合成)频率合成技术和PLL频率合成技术进行有机结合，目前国内多个厂家已在该技术方向展开研究，根据系统的要求不同，也已形成相应的技术方案；而在频率源跳频速度技术方向，最初的设计方法是在锁相环中加入一系列助锁电路，如模拟电位器、数字电位器、DA电路等，可将锁相环的锁定时间由几百us提升至几个us，但是由于锁相环本身锁定的限制，单独的锁相环技术难以突破us量级，很难满足雷达系统对于ns级频率切换时间的要求，现阶段频率源技术中ns级的跳频时间仅能采用直接合成频率的方法实现，直合式频率合成方式通过倍频或梳线发生+开关滤波的方式，将参考频率进行频谱搬移至相应频段，但该方式只能实现参考频率整数倍的频点输出，频率步进只能是参考频率或参考的整数倍，无法实现小数频点输出，且直接合成频率合成方式的频率通过倍频或梳线方式产生后，必须通过滤波的方式进行频率提取，故直接式频率合成方式用到大量的滤波电路，所以直接式频率合成技术的缺点主要体现在尺寸大、功耗高、频率步进大等方面；在锁相技术不断成熟后，直接式频率合成方式应用方式越来越小，是频率合成技术发展初期的一种实现方式，其很难满足很多雷达、通信和对抗系统对小型化、低功耗的设计要求；但是，近年来，随着雷达、电子对抗系统对实时响应的需求越高，对频率合成的跳频时间提出了更高的要求，比如脉冲多普勒雷达要求更高的脉内使用效率，所以要求脉冲开始时雷达就能处于锁定状态；侦查干扰系统希望能实时进行侦查干扰，就要求干扰系统能够实时进行任意频点间的快速切换；基于这一系列整机系统的需求，直合式频率合成方式近年来被重新重视起来，国内多个厂家都在尝试在利用了直合式频率合成方式的跳频速度的优点的同时，解决传统直接合成式频率合成方式的缺点，但目前仍没有可以小型化、低功耗、频率步进小、杂散优、宽带的频率实现方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种毫米波快速宽带频率合成电路及其实现方法，主要解决现有直接频率合成方式存在的尺寸大、功耗高、频率步进大的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种毫米波快速宽带频率合成电路，包括：

高频独立频标，由多个高集成度锁相环组成，用于产生频率基准信号；

开关矩阵网络，根据高频独立频标的频率切换需求，在小型化要求下实现两路不同频率的独立信号输出功能；

初始混频模块，用于高频独立频标和开关矩阵网络产生的两路不同频率的独立信号进行混频；

K波段开关滤波网络，用于抑制初始混频模块产生的混频交调分量；

低频独立频标，输出低频信号，用于与K波段开关滤波网络的输出信号进行频率扩展；

二次混频模块，用于将K波段开关滤波网络的输出信号与低频独立频标的信号进行混频；

Ka波段开关滤波网络，用于对二次混频模块产生信号进行滤波；

频段切换电路，与K波段开关滤波网络、Ka波段开关滤波网络和低频独立频标相连，用于将各频段信号进行开关切换后输出。

基于上述频率合成电路，本发明还提供了一种毫米波快速宽带频率合成方法，包括如下步骤：

(S1)由高频独立频标产生频率基准信号后通过开关矩阵网络后实现两路信号可选输出；

(S2)两路信号输入至初始混频模块后，一路分频至混频中频，另一路进入混频本振，随后再将两路信号进行混频后输出；

(S3)初始混频模块输出的信号经过K波段开关滤波网络后进行交调抑制，产生多个低杂散的点频信号；

(S4)低频独立频标产生的低频率频率基准信号与K波段开关滤波网络输出信号经二次混频模块进行混频；

(S5)二次混频模块输出信号进入Ka波段开关滤波网络进行滤波，产生多个高频率低杂散点频信号；

(S6)K波段开关滤波网络与Ka波段开关滤波网络分频产生低频段与高频段信号后经频段切换电路输出；最终产生毫米波宽带快速频率信号。

进一步地，在本发明中，所述毫米波快速宽带频率的最终输出频率产生公式为：

f₆＝f₄+f₅ (1)；

其中，f₆为最终输出频率，f₄为K波段开关滤波网络输出频率；f₅为低频独立频标的输出频率。

进一步地，在本发明中，所述低频独立频标的输出频率产生公式为：

f₅＝m₃*(f₁+m₂*2)＝m₃*((f_REF*m₁)+(m₂*2)) (2)；

其中，f₁为低频独立频标的频率基准；m₂为低频独立频标的频率个数；f_REF为参考频率；m₁为参考频率f_REF和频率基准f₁的频率比值；m₃为二次混频模块的频段选择位。

进一步地，在本发明中，所述K波段开关滤波网络输出频率产生公式为：

其中，f₂为初始混频模块的混频本振信号，由频率基准产生，同时仅有一个点频输出；

f₃为初始混频模块的混频中频参考信号，由频率基准产生，同时仅有一个点频输出；

N为混频中频参考信号f₃进入初始混频模块前的分频比，同时仅有一个点频输出；

n₂、n₃分别为高频独立频标可独立选择的频点,n₁为参考频率f_REF与频率基准f₀的频率比值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明中的频率合成方法在实现快速跳频的同时，弥补了原直合式频率合成方法在尺寸、功耗的缺点，具有高集成度、尺寸小、功耗低的特点，使原直合式频率合成方法的应用范围更广，并更容易在各类雷达、电子对抗系统中进行集成。

(2)发明中的频率合成实现方法相比于原毫米波快速宽带频率实现方法，在频率组合方式中进行优化，使得频率产生方式更简易，并创新性的采用多频点自混频的方式，相比原实现方法，频点个数做到最优。

(3)本发明将开关矩阵网络引入到毫米波快速宽带频率实现方法中，通过该方法的引入可以解决独立频标难以多入多出的关键问题，最大程度的简化系统框架。

(4)本发明采用一种基于HTCC的超宽带毫米波垂直互联结构，使得独立频标的工作范围宽、工作频率高，将原有的独立频标的工作频率提升至毫米波频段。

(5)本发明创新性的通过有限的频标，利用分频频率复用的方法对频率步进进行优化，解决了传统快速跳频频率实现方法难以实现细步进的难题。

(6)本发明中所有部件和电路均基于先进的微系统设计理念及微组装工艺进行生产装配，广泛应用多种新技术(多功能芯片、MCM、HTCC、多层微波印制电路、新型封装材料等)，集成密度显著提升，大大减小了电路尺寸，具有体积小、性能稳定、指标一致性高等特点，同时具有良好的输入输出匹配，适合批量化生产，生产成本大大减小，适用于雷达、卫星通信、电子对抗等各类微波系统中。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明方法的频率产生示意图。

图3为本发明中频率实现方法的杂散分布示

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图1、2所示，本发明公开的一种毫米波快速宽带频率合成电路，由高频独立频标、开关矩阵网络、初始混频模块、K波段开关滤波网络、低频独立频标、二次混频电路、Ka波段开关滤波网络、频段切换电路组成。所述高频独立频标采用多个高集成度锁相环组成，其特点在于采用小型化SIP(系统级封装)技术，将独立频标进行小型化集成，且采用无源锁相环路技术使得锁相原理简单易行，在实际应用时相应频点提前锁定，在频点切换时不涉及频率锁定时间，最大限度提升频率切换时间。所述开关矩阵网络则是根据高频独立频标的频率切换需求，在小型化要求下实现两路不同频率的独立信号输出功能，具有同时、独立、多信号输出的功能。初始混频模块则是将由高频独立频标和开关矩阵网络产生的两路不同频率的独立信号进行混频，具有高集成度、高隔离度、高交调抑制比的特点。K波段开关滤波网络用于抑制初始混频模块产生的混频交调分量，其内部采用小型化陶瓷平行耦合线带通滤波器，具有带外抑制高、插损小的特点。低频独立频标用于对K波段开关滤波网络的输出信号进行频率扩展，具有频率低、相噪低的特点，且集成SIP封装技术。二次混频模块用于将K波段开关滤波器的输出信号与低频独立频标的信号进行混频，实现频率扩展，具有隔离度高、带外抑制高的特点。Ka波段开关滤波网络采用多级陶瓷平行耦合线带通滤波器，且使用“滤波+放大+滤波”结构，最大程度的提高杂散指标，具有插损小、带外抑制高的特点。所述频段切换电路由多个毫米波PIN开关和FET开关共同组成，具有开关隔离度高、开关速度快的特点。所述内部所有部件和电路采用微组装、SIP、通用印制电路工艺进行混合集成。所述内部所有部件均采用输入、输出阻抗均为50欧姆的标准化模块。

在本发明中，首先由高频独立频标产生频率基准信号后通过开关矩阵网络后实现两路可选输出，该信号经过初始混频模块后实现一路分频至混频中频，一路进入混频本振，两路信号进行混频，初始混频模块输出信号经过K波段开关滤波网络后进行交调抑制，产生多个低杂散的点频信号；由低频独立频标产品低频率频率基准信号，低频独立频标输出信号与K波段开关滤波网络输出信号经二次混频模块进行混频，二次混频模块输出信号进入Ka波段开关滤波网络进行滤波，产生多个高频率低杂散点频信号，K波段开关滤波网络与Ka波段开关滤波网络分频产生低频段与高频段信号后经频段切换电路输，最终产生毫米波宽带快速频率信号；该信号具有频段覆盖范围宽、跳频速度快、杂散抑制高的特点。

在本发明的频率组合方式中，将分频方式引入到频率合成的方法中，利用分频实现小步进，且使用n个频点进行自分频和混频后可产生n*n个频点的输出，巧妙的成倍节约频点，使原有的频点组合方式更加简化，频点最小、输出频率多且步进小。

具体地，改进型毫米波快速宽带频率实现方法的频率产生方式为：

f₆＝f₄+f₅ (1)

其中f₆为该改进型毫米波快速宽带频率实现方法的最终输出频率，f₄为K波段开关滤波网络输出频率；f₅为低频独立频标的输出频率。

进一步的：

f₅＝m₃*(f₁+m₂*2)＝m₃*((f_REF*m₁)+(m₂*2)) (2)

其中，f₁为低频独立频标的频率基准；

m₂为低频独立频标的频率个数，在本方法中m₂的取值可以为1或2；

f_REF为参考频率，所有的高频独立频标和低频独立频标均采用该参考，此处取f_REF值为100MHz；

m₁为参考频率f_REF和频率基准f₁的频率比值；例如当f₁＝8GHz、f_REF＝100MHz时，m₁＝80。

m₃为二次混频模块的频段选择位，此处可取m₃为0或1；例如：当最终频率f₆为低频段时，取m₃＝0，此时f₆＝f₄；当最终频率为高频段时：取m₃＝1，此时f₆＝f₄+f₅。

进一步地：

f₄＝(f₂+f₃/N)

＝(f₀+n₂*2)+(f₀+n₃*2)

＝((f_REF*n₁)+(n₂*2))+((f_REF*n₁)+(n₃*2)) (3)

其中，f₂为初始混频模块的混频本振信号，由频率基准产生，同时仅有一个点频输出。

f₃为初始混频模块的混频中频参考信号，由频率基准产生，同时仅有一个点频输出。

N为混频中频参考信号f₃进入初始混频模块前的分频比，同时仅有一个点频输出，在本方法中，取N值为4。

n₂、n₃分别为高频独立频标可独立选择的频点，其中本方法中：n₂、n₃分别可独立取值为：1、2、3、4。

n₁为参考频率f_REF与频率基准f₀的频率比值；例如当f₀＝18GHz、f_REF＝100MHz时，n₁＝180。

在本改进型毫米波快速宽带频率实现方法中，取f_REF＝100MHz，输出频率f₆可实现Ka波段频率步进为0.5GHz的快速宽带跳频信号的输出，通过使n₁、n₂、n₃、m₁、m₂进行不同取值，可进行相应的频率切换。

例如：当f₆＝30GHz时，取n₁＝160、n₂＝4、n₃＝4、m₁＝60、m₂＝0、m₃＝0，即可实现30GHz频率输出；当f₆＝39.5GHz时，取n₁＝160、n₂＝4、n₃＝3、m₁＝60、m₂＝2、m₃＝1，即可实现39.5GHz频率输出；其余频点可根据公式进行类推后实现Ka波段频率步进为0.5GHz，宽带快速跳频频率实现。

f₆＝f₄+f₅

＝(f₂+f₃/N)+(m₃*(f₁+m₂*2))

＝(f₀+n₂*2)+(f₀+n₃*2)+m₃*((f_REF*m₁)+(m₂*2))

＝((f_REF*n₁)+(n₂*2))+((f_REF*n₁)+(n₃*2))+m₃*((f_REF*m₁)+(m₂*2)) (4)。

如图3所示，为本发明中频率实现方法的杂散分布示意，本发明通过巧妙的频谱搬移，可使得输出频率f₆在通带范围内无低阶交调杂散，保证输出通带范围内良好的杂散指标；以图3所示为例，f₆为输出一段频率范围内交调分布，通过f₂、f₅、f₆三种频率分量的巧妙设计与分布，使得最终合成的f₆在通带范围内无杂散或距输出频点的频率差值较大，最终通过上述K波段开关滤波网络和Ka波段开关滤波网络可达到较好的频率抑制。根据公式(1)所述：f₆＝f₄+f₅,但在实际应用时的混频交调分量如公式(5)所示：

f₆＝m*f₄±n*f₅ (5)

其中，m＝0、1、2、3…，n＝0、1、2、3…。

因此在本改进型毫米波快速宽带频率实现方法的设计实现中，除根据设计要求对n₁、n₂、n₃、m₁、m₂进行合理取值外，仍然需要对可能产生的不需要的m、n的组合进行大量计算，从而求出满足频点要求的组合方法。

本发明方法得到的合成频率在相应频点杂散抑制高、跳频速度快，是对现有的频率实现方法的一次提升，该方法相比于传统的直接合成式频率合成器尺寸更小、实现的频率步进更小、频段范围更宽，相比于现有的宽带快速频率实现方法，其频点更少、功耗更低、工作电压更低、更小型化；相比于传统锁相环，其优势在于跳频速度可以得到量级的突破；可对该方法进行类推后推广至其余频段，是一种新型高效的频率实现方法。因此，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种毫米波快速宽带频率合成电路，其特征在于，包括：

高频独立频标，由多个高集成度锁相环组成，用于产生频率基准信号；

开关矩阵网络，根据高频独立频标的频率切换需求，在小型化要求下实现两路不同频率的独立信号输出功能；

初始混频模块，用于高频独立频标和开关矩阵网络产生的两路不同频率的独立信号进行混频；

K波段开关滤波网络，用于抑制初始混频模块产生的混频交调分量；

低频独立频标，输出低频信号，用于与K波段开关滤波网络的输出信号进行频率扩展；

二次混频模块，用于将K波段开关滤波网络的输出信号与低频独立频标的信号进行混频；

Ka波段开关滤波网络，用于对二次混频模块产生信号进行滤波；

频段切换电路，与K波段开关滤波网络、Ka波段开关滤波网络和低频独立频标相连，用于将各频段信号进行开关切换后输出。

2.一种毫米波快速宽带频率合成方法，其特征在于，采用了如权利要求1所述的一种毫米波快速宽带频率合成电路，包括如下步骤：

(S1)由高频独立频标产生频率基准信号后通过开关矩阵网络后实现两路信号可选输出；

(S2)两路信号输入至初始混频模块后，一路分频至混频中频，另一路进入混频本振，随后再将两路信号进行混频后输出；

(S3)初始混频模块输出的信号经过K波段开关滤波网络后进行交调抑制，产生多个低杂散的点频信号；

(S4)低频独立频标产生的低频率频率基准信号与K波段开关滤波网络输出信号经二次混频模块进行混频；

(S5)二次混频模块输出信号进入Ka波段开关滤波网络进行滤波，产生多个高频率低杂散点频信号；

(S6)K波段开关滤波网络与Ka波段开关滤波网络分频产生低频段与高频段信号后经频段切换电路输出；最终产生毫米波宽带快速频率信号。

3.根据权利要求2所述的一种毫米波快速宽带频率合成方法，其特征在于，所述毫米波快速宽带频率的最终输出频率产生公式为：

f₆＝f₄+f₅ (1)；

其中，f₆为最终输出频率，f₄为K波段开关滤波网络输出频率；f₅为低频独立频标的输出频率。

4.根据权利要求3所述的一种毫米波快速宽带频率合成方法，其特征在于，所述低频独立频标的输出频率产生公式为：

f₅＝m₃*(f₁+m₂*2)＝m₃*((f_REF*m₁)+(m₂*2)) (2)；

其中，f₁为低频独立频标的频率基准；m₂为低频独立频标的频率个数；f_REF为参考频率；m₁为参考频率f_REF和频率基准f₁的频率比值；m₃为二次混频模块的频段选择位。

5.根据权利要求4所述的一种毫米波快速宽带频率合成方法，其特征在于，所述K波段开关滤波网络输出频率产生公式为：

其中，f₂为初始混频模块的混频本振信号，由频率基准产生，同时仅有一个点频输出；

f₃为初始混频模块的混频中频参考信号，由频率基准产生，同时仅有一个点频输出；

N为混频中频参考信号f₃进入初始混频模块前的分频比，同时仅有一个点频输出；

n₂、n₃分别为高频独立频标可独立选择的频点,n₁为参考频率f_REF与频率基准f₀的频率比值。

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