沈純純 牛向華 崔揚

關(guān)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(shù)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(shù)，連同高速、高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成數(shù)字可編程的完整高頻合成器，能夠產(chǎn)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(diào)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（360～560MHz多點跳頻，步進20MHz），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2.4GHz與1.1GHz混頻、濾波、放大產(chǎn)生采樣時鐘頻率;系統(tǒng)時鐘頻率均由2.4GHz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(jié)構(gòu)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(shè)計好壞會影響相位噪聲的好壞[4]，且環(huán)路電路的調(diào)試比較復(fù)雜;其次，在對環(huán)路電路設(shè)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(yīng)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-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(xiàn)寬帶多點跳頻的直接合成，其優(yōu)點，一是合成頻率的轉(zhuǎn)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-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(shè)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(nèi)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3.5GHz采樣頻率，在AD9914芯片內(nèi)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(nèi)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(chǎn)生。一本振頻率是由倍頻振蕩器產(chǎn)生的7.7GHz和AD9914可編程分頻產(chǎn)生的360～560MHz混頻、濾波和放大產(chǎn)生。二本振由1.1GHz信號直接通過功分放大濾波產(chǎn)生。100MHz信號直接通過功分放大濾波產(chǎn)生。480MHz、120MHz、20MHz時鐘頻率均通過2.4GHz分頻、濾波、放大、功分產(chǎn)生。DDS輸出頻率360～560MHz由倍頻振蕩器產(chǎn)生的1.1GHz和2.4GHz混頻產(chǎn)生的3.5GHz信號通過AD9914編程、分頻、放大和濾波產(chǎn)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(xiàn)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(nèi)），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(chǎn)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(chǎn)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(diào)雜散并未落入（8.06～8.26）GHz帶內(nèi)，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(xiàn)輸出一本振實現(xiàn)低雜散性能。從圖5給出了DDS輸出在3.5GHz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(xiàn)了一本振的低相位噪聲性能。

3結(jié)語

本文設(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)將會不斷地發(fā)展并應(yīng)用到更多不同頻段的頻率源上，使其性能不斷提高。