一種新型的X波段雷達接收機頻率源設計

沈純純 牛向華 崔揚

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公司生產的AD9914芯片，它是一款帶12位DAC的直接數字頻率合成器（DDS）。該器件采用先進的DDS技術，連同高速、高性能數模轉換器，構成數字可編程的完整高頻合成器，能夠產生高達1.4GHz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位采用可編程模數模式），直接合成DDS輸出頻率（360～560MHz多點跳頻，步進20MHz），將DDS輸出頻率與倍頻振蕩器產生的頻率通過混頻產生所需要的一本振頻率，再將倍頻振蕩器的2.4GHz與1.1GHz混頻、濾波、放大產生采樣時鐘頻率;系統時鐘頻率均由2.4GHz分頻、濾波、放大、功分產生。從而使得頻率源的性能更加穩定可靠。

雷達接收機的核心部分是頻率源[3]，其可靠性和穩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實現的優點是結構簡單，成本低，實現起來較容易，但是其缺點，首先是鎖相環的環路電路設計好壞會影響相位噪聲的好壞[4]，且環路電路的調試比較復雜;其次，在對環路電路設計過程中要充分考慮環境因素影響，容易失鎖;最后，變頻的時間響應不是那么快，環路鎖定需要一定時間。為了實現捷變頻[5]，采用另一種合成方式，即直接合成，該方式采用ADI公司生產的AD9914芯片，其輸出DDS頻率的相位噪聲為-128dBc/Hz@1kHz，近端雜散-95dBc，遠端距離中心頻率最近的大概100MHz處遠端雜散是-68dBc，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100MHz相位噪聲-160dBc/Hz@1kHz，1100MHz頻率的相位噪聲-137dBc/Hz@1kHz，2400MHz頻率的相位噪聲-130dBc/Hz@1kHz，7700MHz頻率的相位噪聲-120dBc/Hz@1kHz，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、混頻等實現寬帶多點跳頻的直接合成，其優點，一是合成頻率的轉換速度比較快，實現的雜散、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-105dBc/Hz@1kHz，提高到-119.2dBc/Hz@1kHz;雜散抑制由原來的-68dBc，提高到-71.9dBc。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頻標產生。利用倍頻振蕩器產生的頻率混頻出3.5GHz采樣頻率，在AD9914芯片內部經過編程、分頻、放大和濾波等產生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。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100MHz晶振，7.7GHz、2.4GHz和1.1GHz信號均由其功分、倍頻、放大、濾波產生。一本振頻率是由倍頻振蕩器產生的7.7GHz和AD9914可編程分頻產生的360～560MHz混頻、濾波和放大產生。二本振由1.1GHz信號直接通過功分放大濾波產生。100MHz信號直接通過功分放大濾波產生。480MHz、120MHz、20MHz時鐘頻率均通過2.4GHz分頻、濾波、放大、功分產生。DDS輸出頻率360～560MHz由倍頻振蕩器產生的1.1GHz和2.4GHz混頻產生的3.5GHz信號通過AD9914編程、分頻、放大和濾波產生。最后將480MHz、120MHz、20MHz三路通過三工器合成一路功分放大。

為了實現一本振的低雜散，圖2給出了AD9914芯片的采樣頻率為3.5GHz，中心頻率為427.5MHz（在360～560MHz范圍內），其近端雜散達到-95dBc，近端雜散非常干凈（防止近端雜散混頻后產生一本振近端雜散，濾波器過濾不掉。）。距離中心頻率為427.5MHz大概在200MHz附近遠端雜散為-70dBc，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696.5MHz處遠端雜散為100MHz時是-68dBc。因此，為了使混頻后的一本振產生低雜散，我們對DDS輸出頻率（360～560）MHz進行了分段濾波，f0分別為390MHz、440MHz、490MHz，帶寬為±60MHz，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7.7GHz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7.7GHz混頻后加了一個8160MHz，帶寬為200MHz的濾波器，實現輸出一本振實現低雜散性能。從圖5給出了DDS輸出在3.5GHz工作頻率下的絕對相位噪聲曲線中可以看出在頻率為696MHz處相位噪聲為-128dBc/Hz@1kHz，7.7GHz頻率的相位噪聲是-120dBc/Hz@1kHz，因此，混頻出的一本振相位噪聲至少為-120dBc/Hz@1kHz，實現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頻率源的低雜散、低相噪性能，采用AD9914芯片的可編程大規模集成電路直接合成方式，結構比較簡單，實現較方便，大大提高了該頻率源的可靠性和穩定性。隨著雷達接收機頻率源的不斷發展，直接合成技術將會不斷地發展并應用到更多不同頻段的頻率源上，使其性能不斷提高。