一種新型的X波段雷達接收機頻率源設計

摘要：本文介紹了一種新型的X波段低雜散、低相噪頻率源設計方法。設計主要采用ADI公司生產(chǎn)的AD9914 芯片，采用其低雜散，低相噪以及時鐘分配器和可編程等特性，直接合成DDS輸出頻率（360～560?MHz多點跳頻）。將DDS輸出頻率與倍頻振蕩器產(chǎn)生的頻率通過混頻產(chǎn)生一本振頻率；再將倍頻振蕩器產(chǎn)生的2.4?GHz 與1.1?GHz混頻、濾波、放大產(chǎn)生采樣時鐘頻率；系統(tǒng)時鐘頻率均由2.4?GHz分頻、濾波、放大、功分產(chǎn)生。文章詳細分析了直接合成頻率源具有良好的低雜散、低相噪性能。

關鍵詞：直接合成；低相位噪聲；低雜散

1 背景

目前，隨著雷達技術的發(fā)展越來越快，必然對雷達接收機的要求也越來越高，特別是頻率源的指標。為了提高接收機的低雜散 ^[1]、低相噪 ^[2]。我們采用 ADI 公司生產(chǎn)的 AD9914 芯片，它是一款帶 12 位 DAC 的直接數(shù) 字頻率合成器 (DDS)。該器件采用先進的 DDS 技術，連同高速、高性能數(shù)模轉換器，構成數(shù)字可編程的完整高頻合成器，能夠產(chǎn)生高達 1.4 GHz 的頻率捷變模擬輸出正弦波。AD9914 具有快速跳頻和精密調諧分辨率 (64 位采用可編程模數(shù)模式 )，直接合成 DDS 輸出頻率 （360 ～ 560 MHz 多點跳頻，步進 20 MHz），將 DDS 輸出頻率與倍頻振蕩器產(chǎn)生的頻率通過混頻產(chǎn)生所需要的一本振頻率，再將倍頻振蕩器的 2.4 GHz 與 1.1 GHz 混頻、濾波、放大產(chǎn)生采樣時鐘頻率；系統(tǒng)時鐘頻率均由 2.4 GHz 分頻、濾波、放大、功分產(chǎn)生。從而使得頻率源的性能更加穩(wěn)定可靠。

雷達接收機的核心部分是頻率源 ^[3]，其可靠性和穩(wěn)定性決定了接收機的好壞，而相位噪聲也是衡量頻率源性能的一大重要指標。實現(xiàn)雷達接收機的頻率源跳頻方式有兩種，即直接合成和間接合成。間接合成跳頻方式即采用鎖相環(huán)實現(xiàn)的優(yōu)點是結構簡單，成本低，實現(xiàn)起來較容易，但是其缺點，首先是鎖相環(huán)的環(huán)路電路設計好壞會影響相位噪聲的好壞 ^[4]，且環(huán)路電路的調試比較復雜；其次，在對環(huán)路電路設計過程中要充分考慮環(huán)境因素影響，容易失鎖；最后，變頻的時間響應不是那么快， 環(huán)路鎖定需要一定時間。為了實現(xiàn)捷變頻 ^[5]，采用另一種合成方式，即直接合成，該方式采用 ADI 公司生產(chǎn)的 AD9914 芯片，其輸出 DDS 頻率的相位噪聲為 -128 dBc/ Hz@1 kHz，近端雜散 -95 dBc，遠端距離中心頻率最近的大概 100 MHz 處遠端雜散是 -68 dBc，器件選型方面具備低雜散、低相噪功能。同時倍頻振蕩器的輸出頻率 100 MHz 相位噪聲 -160 dBc/Hz@1 kHz，1 100 MHz 頻率的相位噪聲 -137 dBc/Hz@1 kHz，2 400 MHz 頻率的相位噪聲 -130 dBc/Hz@1 kHz，7 700 MHz 頻率的相位噪聲 -120 dBc/Hz@1 kHz，輸出頻點都具備低相位噪聲特性。將 DDS 輸出頻率與倍頻振蕩器輸出的頻率進行分頻、倍頻、混頻等實現(xiàn)寬帶多點跳頻的直接合成，其優(yōu)點，一是合成頻率的轉換速度比較快，實現(xiàn)的雜散、相噪也比較低。

我們在另一款 X 波段氣象雷達接收機頻率源上采用直接合成方式，其一本振相位噪聲由原來的 -105 dBc/Hz @1 kHz，提高到 -119.2 dBc/Hz@1 kHz；雜散抑制由原來的 -68 dBc，提高到 -71.9 dBc。其雜散和相位噪聲都提高了不少。

2 設計原理及分析

雷達所需的本振信號和時鐘信號是由頻率源產(chǎn)生的，其內部主要由電源、倍頻振蕩器、X 波段頻綜和 DDS 頻標產(chǎn)生。利用倍頻振蕩器產(chǎn)生的頻率混頻出 3.5 GHz采樣頻率，在AD9914芯片內部經(jīng)過編程、分頻、放大和濾波等產(chǎn)生 DDS 輸出頻率，頻率源的輸出信號均通過直接合成的方式實現(xiàn)。信號輸出后用寬帶濾波器直接輸出，具體直接合成 X 波段頻率源組成框圖如下：

如圖 1 所示，倍頻振蕩器模塊內置 100 MHz 晶振， 7.7 GHz、2.4 GHz 和 1.1 GHz 信號均由其功分、倍頻、放大、濾波產(chǎn)生。一本振頻率是由倍頻振蕩器產(chǎn)生的 7.7 GHz 和 AD9914 可編程分頻產(chǎn)生的 360 ～ 560 MHz 混頻、濾波和放大產(chǎn)生。二本振由 1.1 GHz 信號直接通過功分放大濾波產(chǎn)生。100 MHz 信號直接通過功分放大濾波產(chǎn)生。480 MHz、120 MHz、20 MHz 時鐘頻率均通 過 2.4 GHz 分頻、濾波、放大、功分產(chǎn)生。DDS 輸出頻率 360 ～ 560 MHz 由倍頻振蕩器產(chǎn)生的 1.1 GHz 和 2.4 GHz 混頻產(chǎn)生的 3.5 GHz 信號通過 AD9914 編程、分頻、放大和濾波產(chǎn)生。最后將 480 MHz、120 MHz、 20 MHz 三路通過三工器合成一路功分放大。

為了實現(xiàn)一本振的低雜散，圖 2 給出了 AD9914 芯片的采樣頻率為 3.5 GHz，中心頻率為 427.5 MHz（在 360 ～ 560 MHz 范圍內），其近端雜散達到 -95 dBc，近端雜散非常干凈（防止近端雜散混頻后產(chǎn)生一本振近端雜散，濾波器過濾不掉。）。距離中心頻率為 427.5 MHz 大概在 200 MHz 附近遠端雜散為 -70 dBc，隨著輸出 DDS 頻率的提高，遠端雜散離中心頻率越 來越近，距離在中心頻率為 696.5 MHz 處遠端雜散為 100 MHz 時是 -68 dBc。因此，為了使混頻后的一本振產(chǎn)生低雜散，我們對 DDS 輸出頻率（360 ～ 560）MHz進行了分段濾波，f 0 分別為 390 MHz、440 MHz、 490 MHz，帶寬為 ±60 MHz，這樣會將 DDS 輸出頻率中遠端雜散濾除比較干凈。圖 4 中通過頻 率窗口仿真可用看出，（360 ～ 560）MHz 的 9 次諧波與 7.7 GHz 的 9 次諧波混頻出的交 調雜散并未落入（8.06 ～ 8.26）GHz 帶內，因此，在 DDS 輸出頻率與 7.7 GHz 混頻后加了一個 8 160 MHz，帶寬為 200 MHz 的濾波器，實現(xiàn)輸出一本振實現(xiàn)低雜散性能。從圖 5 給出了 DDS 輸出在 3.5 GHz 工作頻率下的絕對相位噪聲曲線中可以看出在頻率為 696 MHz 處相位噪聲為 -128 dBc/Hz@1 kHz，7.7 GHz 頻率的相位噪聲是 -120 dBc/Hz@1 kHz，因此，混頻出的一本振相位噪聲至少為 -120 dBc/Hz@1 kHz，實現(xiàn)了一本振的低相位噪聲性能。

3 結語

本文設計的一款新型 X 波段頻率源，具備低雜散、低相噪特性。從器件選型和電路方面詳細分析了如何實現(xiàn)頻率源的低雜散、低相噪性能，采用 AD9914 芯片的可編程大規(guī)模集成電路直接合成方式，結構比較簡單，實現(xiàn)較方便，大大提高了該頻率源的可靠性和穩(wěn)定性。隨著雷達接收機頻率源的不斷發(fā)展，直接合成技術將會不斷地發(fā)展并應用到更多不同頻段的頻率源上，使其性能不斷提高。

參考文獻：

[1] 胡天濤,杜勇,田靜.低雜散L波段頻綜設計[J].電子設計工程,2020,28(1):118-122.

[2] 王增雙,高曉強.一款低相位噪聲的可編程分頻器[J].半導體技術,2019,44(12):1916-920.

[3] 梅納西威特克.頻率合成原理與設計[M].何松柏,宋亞梅,鮑景富,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2012:62-103.

[4] 楊俊,許強.頻率源的相位噪聲對雷達系統(tǒng)性能的影響[J].艦船電子對抗,2016,39(1):158-61.

[5] 嚴少敏,王新浪,張博.一種超寬帶捷變頻源的研制[J].現(xiàn)代導航,2019,10(4):1291-293.

（注：本文轉自《電子產(chǎn)品世界》2022年雜志6月期）