毫米波線性調(diào)頻源的實現(xiàn)

尹興 田建召 夏燁巍

摘要：伴隨著毫米波技術(shù)在各個領(lǐng)域被越來越多的應(yīng)用，其信號的產(chǎn)生成為一個技術(shù)熱點。為滿足寬帶毫米波雷達(dá)對信號源的較高要求，本文闡述利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）、鎖相環(huán)技術(shù)（PLL）和倍頻技術(shù)設(shè)計的寬帶毫米波線性調(diào)頻信號源的實現(xiàn)。該毫米波調(diào)頻信號源具有低相噪、高頻率穩(wěn)定度和可生產(chǎn)性高的特點，具有較高的工程實用價值和廣泛的應(yīng)用前景。實測結(jié)果表明：該線性調(diào)頻源輸出幅度大于+5dBm，相位噪聲≤-95dB/Hz@10kHz。

關(guān)鍵詞：線性調(diào)頻；毫米波頻段；鎖相環(huán)PLL；直接數(shù)字頻率合成技術(shù)DDS

引言

近年來伴隨著毫米波技術(shù)在各個領(lǐng)域（如衛(wèi)星、雷達(dá)、定位系統(tǒng)等）被越來越多的應(yīng)用，高質(zhì)量信號源的設(shè)計成為一個技術(shù)熱點。尤其是線性調(diào)頻信號源，在雷達(dá)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，且對整機(jī)性能起到關(guān)鍵作用。相對與傳統(tǒng)的模擬方式，采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）方式雖然輸出信號頻率較低，但其具有頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快，體積小、可編程等優(yōu)點，能夠通過計算機(jī)控制，靈活產(chǎn)生不同參數(shù)的波形，很好的滿足系統(tǒng)對多種復(fù)雜形式信號的要求，并具有極佳的線性度和準(zhǔn)確度；生產(chǎn)過程中的一致性也容易保證。因此現(xiàn)代雷系統(tǒng)中復(fù)雜調(diào)制信號的產(chǎn)生往往是利用DDS技術(shù)在較低頻率產(chǎn)生中頻信號，然后通過變頻方式將其搬移至更高的所需頻率[1]。

本文給出了用DDS+PLL+倍頻技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生毫米波線性調(diào)頻信號的實現(xiàn)方案，具備高線性度、低相位噪聲和高可靠、易實現(xiàn)模塊化的特點。系統(tǒng)要求輸出相位噪聲≤-95dBc/Hz@10kHz，雜散抑制≥70dB條件下，實現(xiàn)200MHz調(diào)頻帶寬。

1.設(shè)計方案

本方案要求輸出線性調(diào)頻毫米波線性調(diào)頻源中心頻率34.24GHz，輸出相位噪聲優(yōu)于-95dBc/Hz@10kHz，設(shè)計方案框圖如圖1所示。工作頻率100MHz的恒溫控制晶體振蕩器OCXO通過時鐘分路器為頻率源系統(tǒng)中的L頻段鎖相環(huán)和X頻段鎖相環(huán)提供參考信號。L波段鎖相環(huán)的作用是產(chǎn)生1GHz 單音信號，作為DDS的參考時鐘信號，選用型號為LMX2595，芯片內(nèi)部集成VCO及整數(shù)分頻器。DDS芯片選用AD9910直接數(shù)字頻率合成器，輸出140MHz標(biāo)準(zhǔn)中頻線性調(diào)頻信號，帶寬12.5MHz。中頻LFM信號需要先后經(jīng)過四倍頻和中頻帶通濾波，最終與X頻段鎖相環(huán)輸出的點頻信號混頻。為實現(xiàn)低相噪輸出，X頻PLL選用噪聲底極低的集成鎖相環(huán)芯片LMX2615，輸出8000MHz本振信號。兩路信號通過混頻，濾波和四倍頻，得到34.24GHz的毫米波調(diào)頻信號，如圖1所示：

2.關(guān)鍵電路分析與綜合

2.1晶振減振系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)備工作時，會受到來自地面的振動，還會受到水平方向的沖擊波，兩者的受力方向相互垂直。當(dāng)振動、沖擊影響達(dá)到一定程度后，會引起晶振輸出的信號頻率偏移，從而影響整機(jī)的工作指標(biāo)[2]。

隔振系統(tǒng)要保護(hù)晶振不因環(huán)境的振動、沖擊而損壞，而且要在振動沖擊環(huán)境下，電氣性能的變化在允許的范圍內(nèi)。減振系統(tǒng)垂直放置，浮動安裝，先將晶振固定在一個框架上，框架四角用了四個截錐螺旋彈簧（硬彈簧系統(tǒng)）。當(dāng)垂直方向的作用力比較小時，彈簧剛度比線性彈簧小，當(dāng)垂直方向作用力比較大時，彈簧剛度比線性彈簧大。由于它的阻尼非常小，又在垂直方向加了一個阻尼裝置。四個彈簧承受重力，和阻尼裝置共同承擔(dān)來自垂直方向振動激勵，達(dá)到減振目的。在水平方向，加了兩個具有減振緩沖作用的軟體材料，從底部和上蓋兩個方向把晶振夾在中間，水平方向的減振緩沖裝置就起作用了[3]，如圖2所示。

晶振隔振緩沖系統(tǒng)已在實際的工程中得到應(yīng)用，經(jīng)多次的實際工作證明，晶振隔振緩沖系統(tǒng)完全滿足使用要求，由振動、沖擊引起的輸出信號頻率偏移可忽略不計。

2.2 1GHz時鐘和DDS設(shè)計

1GHz采樣時鐘選用單片LMX2595實現(xiàn)，此寬帶射頻合成器將PLL設(shè)計所需的鑒相器和VCO等集成在了芯片內(nèi)部，設(shè)計中只需要在器件外部電路構(gòu)建合適的環(huán)路濾波器。通過優(yōu)化環(huán)路帶寬，可得相位噪聲-132.5dBc/Hz@10kHz，仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示：

參考文獻(xiàn)

[1]王文才，陳昌明，黃剛.PLL驅(qū)動DDS的低相噪小步進(jìn)LFM信號源設(shè)計[J].2015.4月.第38卷

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[3]霍治生，郭欣茹.一種高穩(wěn)定度晶振的隔振緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計.電子機(jī)械工程.2006.5月.第22卷

[4]梁木生，唐小宏，李金艷.Ka波段微帶四倍頻器研制.電子科技大學(xué)學(xué)報.2008.6月.第37卷

[5]王抗旱.寬帶毫米波四倍頻器.半導(dǎo)體技術(shù)2012.3月.第37卷

作者簡介：尹興（1983-），男，中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所，工程師，從事射頻電路研究和設(shè)計。

田建召（1979-），男，中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，高級工程師，從事射頻電路及復(fù)雜系統(tǒng)研究。

夏燁?。?985-）男，中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所，工程師，從事射頻電路研究和設(shè)計。

（作者單位：1.中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所；2.中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院）