一种全相参毫米波频率合成方法与合成器

摘要

本发明公开了一种全相参毫米波频率合成方法，利用混频及混频锁相环进行频率和相位的传递和锁定，从而实现了异频全相参；连接在主混频器与多路功率分配器II之间、或连接在主混频器与毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路之间的主带通滤波器可有效地阻断主/副以及副/副输出信号之间的串扰，从而实现高隔离度。上述方法使用的全相参毫米波频率合成器，包括多路功率分配器I、一个毫米波主输出锁相频率合成电路、第一倍频器或锁相倍频电路、主混频器、主带通滤波器、多路功率分配器II和n个毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路。

说明书

                          技术领域

本发明属于频率合成和毫米波领域，特别涉及一种全相参毫米波频率合成方法与合成器。

                          背景技术

频率合成方法是指将一个或多个频率稳定度和精确度很高的基准参考源通过频率域的线性运算，生成具有同样稳定度和精确度的大量离散频率信号的方法，实现频率合成的电路称为频率合成器。对频率合成器的主要技术指标要求通常有：输出频率范围，最小频率步进(也称为频率间隔)，频谱纯度(包含相位噪声和相位杂散)，频率切换时间(也称变频时间、跳频时间)。由于技术上的高难度以及对其要求的愈来愈高，频率合成技术始终是现代电子(通信)系统的关键技术难点之一。

毫米波的工作频率介于微波和光之间，因此兼有两者的优点，主要优点有：(1)与微波比，波长短，因而设备体积小，重量轻；波束窄，分辨力高；多普勒频移大，有利于探测低速目标；带宽宽，易采用窄脉冲调制，信息容量大。(2)与红外激光比，在传输窗口及烟、尘环境，毫米波的的衰减要小得多，可以认为具有全天候特性，吸收峰可以用于保密通信。

传统的直接频率合成技术，将信号频率进行几何四则运算，虽然能够保证系统的全相参特性，但当主输出信号和副输出信号频差较小时，变频杂散难以抑制，无法满足隔离度要求。传统的单锁相环路在频率分辨率和跳频速度之间存在很大矛盾，造成设计方案复杂。

                                  发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种全相参毫米波频率合成方法与合成器，以满足主输出信号和副输出信号的全相参和高隔离度特性要求。

本发明所述全相参毫米波频率合成方法，其合成步骤如下：

(1)将一个毫米波主输出锁相频率合成电路产生的主输出信号功率分配为两路，一路作为毫米波主输出信号，另一路作为第一混频信号；

(2)将基准参考源的信号倍频产生出与所述主输出信号频率不同的第一混频参考信号；

(3)将第一混频信号与第一混频参考信号进行混频并滤波后得到第二混频参考信号，将第二混频参考信号直接作为混频信号或做功率分配为多路混频信号；

(4)设计n个毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路，当n＝1时，第二混频参考信号直接作为毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路的外混频信号，当n≥2且为正整数时，各毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路的外混频信号为第二混频参考信号做功率分配形成的相对应的一路混频信号，各毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路的输出即为与毫米波主输出信号异频的全相参副输出信号；

上述毫米波主输出锁相频率合成电路、n个毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路的锁相参考信号和第一混频参考信号同源，毫米波主输出信号和各副输出信号的频差由毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路的分频比决定。

上述方法中，第一混频参考信号的产生采用将基准参考源信号直接倍频的方式实现，或采用将基准参考源信号锁相倍频的方式实现。

本发明所述全相参毫米波频率合成方法所使用的合成器如图1、图3所示，包括多路功率分配器I、一个毫米波主输出锁相频率合成电路、第一倍频器或锁相倍频电路、主混频器、主带通滤波器、多路功率分配器II和n个毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路；功率分配器I将基准参考源产生的信号进行功率分配并传送给毫米波主输出锁相频率合成电路、第一倍频器或锁相倍频电路及各毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路；毫米波主输出锁相频率合成电路将接收到的信号进行处理生成主输出信号，所述主输出信号功率分配为两路，一路进行毫米波倍频后，作为毫米波主输出信号，另一路作为第一混频信号；第一倍频器将接收到的信号进行倍频，生成与主输出信号频率不同的第一混频参考信号，或锁相倍频电路将接收到的信号进行锁相与倍频，生成与主输出信号频率不同的第一混频参考信号；主混频器将毫米波主输出锁相频率合成电路输出的第一混频信号和第一倍频器或锁相倍频电路输出的第一混频参考信号进行混频并将混频后的信号输送给主带通滤波器；主带通滤波器将接收到的混频信号进行滤波产生第二混频参考信号，并传送给多路功率分配器II；多路功率分配器II将接收到的第二混频参考信号分配为n路混频信号，并将n路混频信号分别传送给各毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路；各毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路将多路功率分配器II输入的混频信号用做环内参考混频信号进行混频后，并对来自多路功率分配器I的信号进行固定分频比锁相，然后，进行毫米波倍频，倍频后的输出信号为与毫米波主输出信号异频的全相参副输出信号；上述n≥2且为正整数。

本发明所述全相参毫米波频率合成方法所使用的合成器，还可以只设置1个毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路，如图2、图4所示，此种结构的全相参毫米波频率合成器包括功率分配器I、一个毫米波主输出锁相频率合成电路、第一倍频器或锁相倍频电路、主混频器、主带通滤波器和1个毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路；多路功率分配器I将基准参考源产生的信号进行功率分配并传送给毫米波主输出锁相频率合成电路、第一倍频器或锁相倍频电路及毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路；毫米波主输出锁相频率合成电路将接收到的信号进行处理生成主输出信号，所述主输出信号功率分配为两路，一路进行毫米波倍频后，作为毫米波主输出信号，另一路作为第一混频信号；第一倍频器将接收到的信号进行倍频，生成与主输出信号频率不同的第一混频参考信号，或锁相倍频电路将接收到的信号进行锁相与倍频，生成与主输出信号频率不同的第一混频参考信号；主混频器将毫米波主输出锁相频率合成电路输出的第一混频信号和第一倍频器或锁相倍频电路输出的第一混频参考信号进行混频并将混频后的信号输送给主带通滤波器；主带通滤波器将接收到的混频信号进行滤波产生第二混频参考信号，并将该信号传送给毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路；毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路将接收到的第二混频参考信号用做环内参考混频信号进行混频后，并对功率分配器I输入的信号进行固定分频比锁相，然后，进行毫米波倍频，倍频后输出的信号为与毫米波主输出信号异频的全相参副输出信号。

上述全相参毫米波频率合成器中，其毫米波主输出锁相频率合成电路的电原理如图5所示，包括倍频器I、三路功率分配器I、直接数字频率合成器、混频器I、预分频器、主混频锁相环、毫米波倍频器II、倍频器III；倍频器I将接收到的基准参考源信号进行倍频并送入三路功率分配器I，三路功率分配器I将接收到的信号分配为三路，一路经直接数字频率合成器处理后作为混频器I的混频信号，一路作为混频器I的混频参考信号，一路经倍频器III倍频后送入主混频锁相环，主混频锁相环将接收到的信号混频锁相生成主输出信号并将所述主输出信号功率分配为两路，一路经毫米波倍频器II倍频后作为毫米波主输出信号，另一路作为第一混频信号。

上述全相参毫米波频率合成器中，其毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路的电原理如图6所示，包括副混频锁相环、毫米波倍频器；副混频锁相环将接收到的基准源参考信号和第二混频参考信号进行混频锁相后传送给毫米波倍频器，经毫米波倍频器倍频后作为毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路的输出信号，所述输出信号为与毫米波主输出信号异频的毫米波全相参副输出信号。

当毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路有多路时，每路信号的产生，均可采用上述相同电路结构与流程。

本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明所述方法和合成器利用混频及固定分频比混频锁相合成将主输出信号的频率和相位进行传递和锁定，由于固定分频比混频锁相合成分频比固定不变，其锁定后环路本身相对基准源的相移也保持不变，故毫米波副输出信号能很好地传递和锁定在毫米波主输出信号上，从而实现了毫米波主输出信号和各毫米波副输出信号的异频全相参。

2、参与混频信号虽然同源，但频差较大，且由于第二混频参考信号的频率可做到与主输出信号频率以及副输出信号频率相差较大，因此，连接在主混频器与多路功率分配器II之间、或连接在主混频器与毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路之间的主带通滤波器可有效地阻断主/副以及副/副输出信号之间的串扰，从而实现高隔离度。

3、所采用的多环混频环结构简化了电路，保证了毫米波主输出信号和各毫米波副输出信号频差相差恒定，获得了低相噪的全相参信号。

                      附图说明

图1是本发明所述全相参毫米波频率合成器的第一种结构框图；

图2是本发明所述全相参毫米波频率合成器的第二种结构框图；

图3是本发明所述全相参毫米波频率合成器的第三种结构框图；

图4是本发明所述全相参毫米波频率合成器的第四种结构框图；

图5是毫米波主输出锁相频率合成电路的一种电原理图；

图6是毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路的一种电原理图；

图7是图2的一种电原理图；

图8是图3的一种电原理图。

图中，1：基准参考源晶体振荡器、2：多路功率分配器I、3：毫米波主输出锁相频率合成电路、4：主混频器、5：毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路、6：多路功率分配器II、7：第一倍频器、8：锁相倍频电路、9：主带通滤波器、10：两路功率分配器I；

3-1：倍频器I、3-2：三路功率分配器I、3-3：直接数字频率合成器、3-4：混频器I、3-5：预分频器、3-6：主混频锁相环、3-7：毫米波倍频器II、3-8：倍频器III；

3-6-1：可变分频比集成锁相环芯片、3-6-2：环路滤波器I、3-6-3：电压控制振荡器I、3-6-4：三路功率分配器II、3-6-5：混频器II；

3-8-1：4倍倍频器、3-8-2：8倍倍频器；

5-n-1：副混频锁相环、5-n-2：毫米波倍频器III；

5-1(2)-1-1：固定分频比集成锁相环芯片I、5-1(2)-1-2：电压控制振荡器II、5-1(2)-1-3：两路功率分配器II、5-1(2)-1-4：混频器III、5-1(2)-1-5：环路滤波器II；

8-1：固定分频比集成锁相环芯片II、8-2：环路滤波器III、8-3：电压控制振荡器III、8-4：两路功率分配器III。

                      具体实施方式

下面结合附图对本发明所述全相参毫米波频率合成方法与合成器作进一步说明。

实施例1

本实施例是一种两路异频全相参毫米波频率合成器，其电原理图为图7所示，采用此种频率合成器，能实现两路异频电信号的全相参和高隔离。

本实施例所述两路异频全相参毫米波频率合成器包括基准参考源晶体振荡器1、多路功率分配器I 2、一个毫米波主输出锁相频率合成电路3、两路功率分配器I 10、主混频器4、主带通滤波器9和一个毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路5-1。

毫米波主输出锁相频率合成电路3包括5倍倍频器I 3-1、三路功率分配器I 3-2、直接数字频率合成器3-3、混频器I 3-4、预分频器3-5、主混频锁相环3-6、4倍毫米波倍频器II 3-7、倍频器III 3-8。主混频锁相环3-6包括可变分频比集成锁相环芯片3-6-1、环路滤波器I 3-6-2、电压控制振荡器I 3-6-3、三路功率分配器II 3-6-4、混频器II 3-6-5。倍频器III 3-8由4倍倍频器3-8-1、8倍倍频器3-8-2组成。上述5倍倍频器I 3-1和4倍倍频器3-8-1又兼具第一倍频器7的功能，以简化电路，节省电子器件。

毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路5-1包括副混频锁相环5-1-1、毫米波倍频器III 5-1-2。副混频锁相环5-1-1包括固定分频比集成锁相环芯片5-1-1-1、电压控制振荡器II 5-1-1-2、两路功率分配器II 5-1-1-3、混频器III 5-1-1-4、环路滤波器II 5-1-1-5；毫米波倍频器III 5-1-2为4倍倍频器。

上述各电路和器件的工作流程如下：

晶体振荡器1产生的电信号的频率为60MHz，功率分配器I 2将基准参考源晶体振荡器1产生的信号进行功率分配并传送给毫米波主输出锁相频率合成电路3及毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路5-1作为参考信号；

毫米波主输出锁相频率合成电路3中的倍频器I 3-1将接收到的信号进行5倍频并送入三路功率分配器I 3-2，三路功率分配器I将接收到的信号分配为三路，一路经直接数字频率合成器3-3处理后作为混频器I 3-4的混频信号，一路作为混频器I 3-4的混频参考信号，一路经4倍倍频器3-8-14倍倍频后由两路功率分配器I 10分配为两路混频信号，其中一路混频信号作为第一混频参考信号，另一路混频信号经8倍倍频器3-8-28倍倍频后作为混频器II 3-6-5的混频参考信号；混频器I 3-4产生的信号经预分频器3-5处理后送入可变分频比集成锁相环芯片3-6-1，与混频器II 3-6-5的混频输出信号经可变分频后的分频信号鉴相，鉴出相差，再经环路滤波器I 3-6-2滤波并转换为相差电压，控制电压控制振荡器I 3-6-3，从而完成锁相；电压控制振荡器I 3-6-3的输出经三路功率分配器II 3-6-4分为三路信号，一路反馈回锁相环作为混频器II 3-6-5的混频信号，一路送给毫米波倍频器II 3-74倍倍频作为毫米波主输出信号，一路作为主混频器4的第一混频信号；

主混频器4将来自两路功率分配器I 10的第一混频参考信号和来自三路功率分配器II 3-6-4的第一混频信号混频后经主带通滤波器9滤波产生第二混频参考信号，该第二混频参考信号直接传送给混频器III 5-1-1-4作为其外混频信号；

毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路中的集成锁相环芯片5-1-1-1将来自功率分配器I 2的参考信号做÷4固定分频后，和来自混频器III 5-1-1-4做÷81固定分频的混频信号鉴相，鉴出相差，再经环路滤波器II 5-1-1-5滤波并转换为相差电压，控制电压控制振荡器II 5-1-1-2，从而完成锁相；电压控制振荡器II 5-1-1-2的输出经两路功率分配器II 5-1-1-3分为两路，一路作为混频器III 5-1-1-4的内混频信号，一路经毫米波倍频器III5-1-24倍倍频后作为该电路的输出信号，所述输出信号为与毫米波主输出信号异频的毫米波全相参副输出信号。毫米波主输出信号的的频率为35GHz±400MHz，毫米波副输出信号的频率为35.06GHz±400MHz，毫米波主输出信号与毫米波副输出信号的隔离度为90dBc。

实施例2

本实施例是一种三路异频全相参毫米波频率合成器，其电原理图为图8所示，采用此种频率合成器，能实现三路异频电信号的全相参和高隔离。

本实施例所述三路异频全相参毫米波频率合成器包括基准参考源晶体振荡器1、多路功率分配器I 2、一个毫米波主输出锁相频率合成电路3、主混频器4、锁相倍频器8、主带通滤波器9、多路功率分配器II 6和两个毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路5-1和5-2。毫米波主输出锁相频率合成电路3及毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路5-1和5-2的结构与实施例1相同。与实施例1不同之处是：

1、第一混频参考信号的产生采用将基准参考源信号锁相倍频的方式实现，即功率分配器I 2将基准参考源晶体振荡器1产生的信号进行功率分配并传送一路给锁相倍频电路8进行处理产生第一混频参考信号。锁相倍频电路8包括固定分频比集成锁相环芯片II 8-1、环路滤波器III 8-2、电压控制振荡器III 8-3、两路功率分配器III 8-4。

2、主带通滤波器9输出的第二混频参考信号经多路功率分配器II 6分配为两路混频信号，并将两路混频信号分别传送给毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路5-1和5-2。

本实施例中，晶体振荡器1产生的电信号的频率为60MHz；毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路5-1中的集成锁相环芯片5-1-1-1将来自功率分配器I 2的参考信号做÷4固定分频后，和来自混频器III5-1-1-4做÷81固定分频的混频信号鉴相，鉴出相差，再经环路滤波器II 5-1-1-5滤波并转换为相差电压，控制电压控制振荡器II 5-1-1-2，从而完成锁相；毫米波副输出固定分频比混频锁相频率合成电路5-2中的集成锁相环芯片5-2-1-1将来自功率分配器I 2的参考信号做÷4固定分频后，和来自混频器III 5-2-1-4做÷79固定分频的混频信号鉴相，鉴出相差，再经环路滤波器II 5-2-1-5滤波并转换为相差电压，控制电压控制振荡器II 5-2-1-2，从而完成锁相。

上述实施例1和实施例2中的电子元器件均可从市场购买。

本发明不限于上述实施例，可以根据需要进行具体电路设计。

本发明所述全相参毫米波频率合成方法与合成器可应用于各种毫米波宽带高隔离全相参(如雷达、通信等)系统。