一种新型的X波段雷达接收机频率源设计

摘要：本文介绍了一种新型的X波段低杂散、低相噪频率源设计方法。设计主要采用ADI公司生产的AD9914 芯片，采用其低杂散，低相噪以及时钟分配器和可编程等特性，直接合成DDS输出频率（360～560 MHz多点跳频）。将DDS输出频率与倍频振荡器产生的频率通过混频产生一本振频率；再将倍频振荡器产生的2.4 GHz 与1.1 GHz混频、滤波、放大产生采样时钟频率；系统时钟频率均由2.4 GHz分频、滤波、放大、功分产生。文章详细分析了直接合成频率源具有良好的低杂散、低相噪性能。

关键词：直接合成；低相位噪声；低杂散

1 背景

目前，随着雷达技术的发展越来越快，必然对雷达接收机的要求也越来越高，特别是频率源的指标。为了提高接收机的低杂散^[1]、低相噪^[2]。我们采用 ADI 公司生产的 AD9914 芯片，它是一款带 12 位 DAC 的直接数 字频率合成器 (DDS)。该器件采用先进的 DDS 技术，连同高速、高性能数模转换器，构成数字可编程的完整高频合成器，能够产生高达 1.4 GHz 的频率捷变模拟输出正弦波。AD9914 具有快速跳频和精密调谐分辨率 (64 位采用可编程模数模式 )，直接合成 DDS 输出频率 （360 ～ 560 MHz 多点跳频，步进 20 MHz），将 DDS 输出频率与倍频振荡器产生的频率通过混频产生所需要的一本振频率，再将倍频振荡器的 2.4 GHz 与 1.1 GHz 混频、滤波、放大产生采样时钟频率；系统时钟频率均由 2.4 GHz 分频、滤波、放大、功分产生。从而使得频率源的性能更加稳定可靠。

雷达接收机的核心部分是频率源^[3]，其可靠性和稳定性决定了接收机的好坏，而相位噪声也是衡量频率源性能的一大重要指标。实现雷达接收机的频率源跳频方式有两种，即直接合成和间接合成。间接合成跳频方式即采用锁相环实现的优点是结构简单，成本低，实现起来较容易，但是其缺点，首先是锁相环的环路电路设计好坏会影响相位噪声的好坏^[4]，且环路电路的调试比较复杂；其次，在对环路电路设计过程中要充分考虑环境因素影响，容易失锁；最后，变频的时间响应不是那么快， 环路锁定需要一定时间。为了实现捷变频^[5]，采用另一种合成方式，即直接合成，该方式采用 ADI 公司生产的 AD9914 芯片，其输出 DDS 频率的相位噪声为 -128 dBc/ Hz@1 kHz，近端杂散 -95 dBc，远端距离中心频率最近的大概 100 MHz 处远端杂散是 -68 dBc，器件选型方面具备低杂散、低相噪功能。同时倍频振荡器的输出频率 100 MHz 相位噪声 -160 dBc/Hz@1 kHz，1 100 MHz 频率的相位噪声 -137 dBc/Hz@1 kHz，2 400 MHz 频率的相位噪声 -130 dBc/Hz@1 kHz，7 700 MHz 频率的相位噪声 -120 dBc/Hz@1 kHz，输出频点都具备低相位噪声特性。将 DDS 输出频率与倍频振荡器输出的频率进行分频、倍频、混频等实现宽带多点跳频的直接合成，其优点，一是合成频率的转换速度比较快，实现的杂散、相噪也比较低。

我们在另一款 X 波段气象雷达接收机频率源上采用直接合成方式，其一本振相位噪声由原来的 -105 dBc/Hz @1 kHz，提高到 -119.2 dBc/Hz@1 kHz；杂散抑制由原来的 -68 dBc，提高到 -71.9 dBc。其杂散和相位噪声都提高了不少。

2 设计原理及分析

雷达所需的本振信号和时钟信号是由频率源产生的，其内部主要由电源、倍频振荡器、X 波段频综和 DDS 频标产生。利用倍频振荡器产生的频率混频出 3.5 GHz采样频率，在AD9914芯片内部经过编程、分频、放大和滤波等产生 DDS 输出频率，频率源的输出信号均通过直接合成的方式实现。信号输出后用宽带滤波器直接输出，具体直接合成 X 波段频率源组成框图如下：

如图 1 所示，倍频振荡器模块内置 100 MHz 晶振， 7.7 GHz、2.4 GHz 和 1.1 GHz 信号均由其功分、倍频、放大、滤波产生。一本振频率是由倍频振荡器产生的 7.7 GHz 和 AD9914 可编程分频产生的 360 ～ 560 MHz 混频、滤波和放大产生。二本振由 1.1 GHz 信号直接通过功分放大滤波产生。100 MHz 信号直接通过功分放大滤波产生。480 MHz、120 MHz、20 MHz 时钟频率均通 过 2.4 GHz 分频、滤波、放大、功分产生。DDS 输出频率 360 ～ 560 MHz 由倍频振荡器产生的 1.1 GHz 和 2.4 GHz 混频产生的 3.5 GHz 信号通过 AD9914 编程、分频、放大和滤波产生。最后将 480 MHz、120 MHz、 20 MHz 三路通过三工器合成一路功分放大。

为了实现一本振的低杂散，图 2 给出了 AD9914 芯片的采样频率为 3.5 GHz，中心频率为 427.5 MHz（在 360 ～ 560 MHz 范围内），其近端杂散达到 -95 dBc，近端杂散非常干净（防止近端杂散混频后产生一本振近端杂散，滤波器过滤不掉。）。距离中心频率为 427.5 MHz 大概在 200 MHz 附近远端杂散为 -70 dBc，随着输出 DDS 频率的提高，远端杂散离中心频率越 来越近，距离在中心频率为 696.5 MHz 处远端杂散为 100 MHz 时是 -68 dBc。因此，为了使混频后的一本振产生低杂散，我们对 DDS 输出频率（360 ～ 560）MHz进行了分段滤波，f0 分别为 390 MHz、440 MHz、 490 MHz，带宽为 ±60 MHz，这样会将 DDS 输出频率中远端杂散滤除比较干净。图 4 中通过频 率窗口仿真可用看出，（360 ～ 560）MHz 的 9 次谐波与 7.7 GHz 的 9 次谐波混频出的交 调杂散并未落入（8.06 ～ 8.26）GHz 带内，因此，在 DDS 输出频率与 7.7 GHz 混频后加了一个 8 160 MHz，带宽为 200 MHz 的滤波器，实现输出一本振实现低杂散性能。从图 5 给出了 DDS 输出在 3.5 GHz 工作频率下的绝对相位噪声曲线中可以看出在频率为 696 MHz 处相位噪声为 -128 dBc/Hz@1 kHz，7.7 GHz 频率的相位噪声是 -120 dBc/Hz@1 kHz，因此，混频出的一本振相位噪声至少为 -120 dBc/Hz@1 kHz，实现了一本振的低相位噪声性能。

3 结语

本文设计的一款新型 X 波段频率源，具备低杂散、低相噪特性。从器件选型和电路方面详细分析了如何实现频率源的低杂散、低相噪性能，采用 AD9914 芯片的可编程大规模集成电路直接合成方式，结构比较简单，实现较方便，大大提高了该频率源的可靠性和稳定性。随着雷达接收机频率源的不断发展，直接合成技术将会不断地发展并应用到更多不同频段的频率源上，使其性能不断提高。

参考文献：

[1] 胡天涛,杜勇,田静.低杂散L波段频综设计[J].电子设计工程,2020,28(1):118-122.

[2] 王增双,高晓强.一款低相位噪声的可编程分频器[J].半导体技术,2019,44(12):1916-920.

[3] 梅纳西威特克.频率合成原理与设计[M].何松柏,宋亚梅,鲍景富,等,译.北京:电子工业出版社,2012:62-103.

[4] 杨俊,许强.频率源的相位噪声对雷达系统性能的影响[J].舰船电子对抗,2016,39(1):158-61.

[5] 严少敏,王新浪,张博.一种超宽带捷变频源的研制[J].现代导航,2019,10(4):1291-293.

（注：本文转自《电子产品世界》2022年杂志6月期）