某型导弹发射车基准频率形成器组合的国产化研究

方案的确定

原基准频率形成器组合设计属上世纪80年代技术，已无法找到相关的技术资料，且国产同类武器装备均已不再采用类似的技术方法，显然，采用“一一替换”的研仿模式无效，必须透彻研究原基准频率形成器组合的功能和原理，并对组合在不同工作状态下的输入、输出信息进行系统测试、分析和处理，尽可能得到其完整、准确的设计输入输出需求，采用整体功能替代研制方案^[2]。

2.2国产化基准频率形成器组合的组成及原理

国产化基准频率形成器组合主要由频综模块（A板、B板、C板、D板）以及频综控制显示模块和电源模块组成，其功能框图如图2所示。

国产化基准频率形成器组合采用低纹波直流稳压电源供电，输入单相交流电源，输出+12V、+5V I、+5VⅡ三路直流电源，+12V主要用于晶体、VCO等的供电，+5VⅡ用于频综控制显示模块的供电，+5V Ⅰ用于频率综合器的倍频电路、步进数字锁相环PLL、滤波电路等的供电。

频率综合器模块采用双恒温晶体振荡器，其频率稳定度可达到2×10^-8，相噪优于155dBc/Hz。一路为模拟倍频产生固定频率（A板），作为频率源的频率相位基准，用晶振1信号输出构成模拟倍频链，经各级二极管倍频器实现N次倍频，各级经窄带介质带通滤波器提取有用信号，抑制不需要的合成杂散分量，最后经梳状微波滤波器提取固定频率f₀₁。

另一路为步进数字锁相环PLL和VCO（C板），用于产生步进频率。晶振2信号经过N分频产生XXMHz基准信号，VCO输出信号经PLL模块中的数字可编程分频器分频后与基准信号同时加到PLL模块中的鉴频/鉴相器，产生鉴相电压，经环路滤波器加到VCO，实现步进XXMHz，输出对应的L波段频率信号f₀₂。其中，PLL模块中的数字可编程分频器分频次数由频综控制显示模块设置频点时产生的控制码决定。

f₀₁、f₀₂同时送入平衡混频器（B板），混频器在频率源中主要实现频率的加减，滤波器提取和频信号，抑制镜像信号和载波信号，将和频信号送入高频功率放大器，放大信号电平后输出，满足系统要求，同时放大器提供的一路信号检波电压作为输出功率指示送入频综控制显示模块的控制面板用于显示。

2.3设计中的关键技术

1）电源电路设计

为了满足基准频率形成器组合相位噪声核心指标的要求，对电源提出了高质量要求，尤其是减小电源输出的纹波脉动和谐波干扰。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低;反应速度快，输出纹波较小;工作产生的噪声低;效率偏低，在功率较大时需增加散热片从而增大体积。根据设计估算，国产化组合总消耗功率不足100W，体积满足设计安装尺寸要求，折中考虑了转换效率问题，为此电源电路设计采用了低噪声、低纹波系数的线性稳压电源。线性电源是先将交流电经变压器变压，再经整流电路整流后，得到脉动直流电，后经滤波得到带有微小纹波电压的直流电压，再经稳压电路稳压后得到稳定的直流电压，如图3所示。

2）基准源选择

国产化组合为锁相环技术和直接式倍频器相结合的混合式频率合成器，组合输出频率的准确度和稳定度与基准源一致。为确保国产化组合的频率稳定度和准确度，基准源选用电子13所的高稳定度恒温晶振，在偏离载频1kHz处的相噪基底为155dBc/Hz，频率稳定度为±2×10^-8，工作温度为-40℃～50℃。

3）集成锁相芯片选择

國产化设计的基准频率形成器组合要求相位噪声低，输出频率X波段，共8个波道，通过单片机发送的频率控制字进行波道选择。在对比各种大规模集成频率合成芯片性能的基础上，选用了单片大规模集成锁相环频率合成芯片PE3236作为核心电路，构成锁相式频率合成器。

集成锁相环频率合成芯片PE3236是Peregrine公司生产的一种高性能整数分频PLL芯片，最高分频频率可达2.2GHz。PE3236采用了UTSiCMOS技术，具有超低相位噪声的优良性能。

PE3236由高速前置分频器、计数器、鉴相器和控制逻辑组成。高速前置分频器采用吞脉冲分频技术，通过模式选择确定对VCO输出频率除以10或是除以11;主计数器M和参考计数器R分别对双模前置分频器输出频率和参考频率进行分频;辅助计数器A用于模式选择控制逻辑;鉴相器产生上下频率控制信号;还具有鉴相频率检测、时钟检测引脚。各计数器的计数值可以通过串行或并行接口编程实现，也可以通过连线实现。该芯片具有功耗低、相位噪声低、杂散小、分频频率高、编程灵活方便等优点。

4）环路滤波器设计

环路滤波器是由电阻、电容或者还有放大器组成的线性电路，是一种低通滤波器，其作用是滤除来自PLL电路中鉴相器输出电压Vd（t）中的高频成分和噪声分量，得到一个干净的控制电压去控制压控振荡器的频率输出，而压控振荡器的控制电压在稳态时必须保持恒定^[3]。环路滤波器设计采用三阶无源比例积分器，原理图如图4所示。环路滤波器一方面滤除鉴相器产生的高频分量、纹波并限制带外噪声，取其平均分量去控制压控振荡器的频率;另一方面也是锁相环的一个重要参数调节器件，通过改变环路滤波器的参数可以改变锁相环环路的重要特性指标，对环路捕捉带的大小、环路的捕捉时间和跟踪时间、环路的稳定性和噪声指标等均有影响^[4]。实际应用中，环路滤波器易受很多因素干扰，导致压控振荡器输出频率漂移或锁相环工作不稳定，甚至失锁。通常应对组成环路滤波器的元器件参数进行调整，以求达到最佳效果。

设计指标规定，国产化组合要在1ms内改变频点，这对环路的锁定时间提出了较高要求。需要在环路滤波器设计时选择合适的相位裕度和环路带宽来满足系统指标要求。相位裕度与系统的稳定性密切相关，典型参数范围介于40°～55°之间，较大的相位裕度虽然能减小环路滤波器的峰值响应，但却增加了锁定时间。环路带宽小可以降低参考杂散和相位误差，同时也会增大锁定时间;加大环路带宽能改善锁定时间，但参考杂散和相位误差也会随之增大。设计过程中，在计算和系统仿真的基础上，通过搭建测试环境观测锁相环路的动态调整过程，折中确定了合适的时间常数，在满足锁定时间的前提下减小了超调量，增加了系统的稳定性。

3测试结果

利用频谱仪、频率计、直流电源、交流电源等设备搭建测试平台，对国产化基准频率形成器组合与原基准频率形成器组合进行了性能对比测试，见图5。

测试结果表明：国产化基准频率形成器组合的频率稳定度、相位噪声、杂散等参数均优于原基准频率形成器组合，主要性能指标对比见表1。

4结束语

目前，国产化基准频率形成器组合已通过了在军方指定的第三方进行的可靠性考核试验和军方组织的飞行靶试验证，并在部队和工厂装备修理中得到推广应用。验证结果表明，该产品能够满足引进装备的正常使用要求，使用维护简单、方便。基准频率形成器组合的成功国产化可解决国外技术封锁和对国外备件保障的依赖，提高装备的国内自主可控能力，保障装备的完好率，经济和军事效益明显。

参考文献

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