一種新型的X波段雷達(dá)接收機(jī)頻率源設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)跳頻）。將DDS輸出頻率與倍頻振蕩器產(chǎn)生的頻率通過(guò)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(shí)鐘頻率；系統(tǒng)時(shí)鐘頻率均由2.4?GHz分頻、濾波、放大、功分產(chǎn)生。文章詳細(xì)分析了直接合成頻率源具有良好的低雜散、低相噪性能。

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(dá)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快，必然對(duì)雷達(dá)接收機(jī)的要求也越來(lái)越高，特別是頻率源的指標(biāo)。為了提高接收機(jī)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(jìn)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(dá) 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(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 ～ 560 MHz 多點(diǎn)跳頻，步進(jìn) 20 MHz），將 DDS 輸出頻率與倍頻振蕩器產(chǎn)生的頻率通過(guò)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(shí)鐘頻率；系統(tǒng)時(shí)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(dá)接收機(jī)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(jī)的好壞，而相位噪聲也是衡量頻率源性能的一大重要指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)雷達(dá)接收機(jī)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(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易，但是其缺點(diǎn)，首先是鎖相環(huán)的環(huán)路電路設(shè)計(jì)好壞會(huì)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(duì)環(huán)路電路設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮環(huán)境因素影響，容易失鎖；最后，變頻的時(shí)間響應(yīng)不是那么快， 環(huán)路鎖定需要一定時(shí)間。為了實(shí)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(yuǎn)端距離中心頻率最近的大概 100 MHz 處遠(yuǎn)端雜散是 -68 dBc，器件選型方面具備低雜散、低相噪功能。同時(shí)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(diǎn)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(jìn)行分頻、倍頻、混頻等實(shí)現(xiàn)寬帶多點(diǎn)跳頻的直接合成，其優(yōu)點(diǎn)，一是合成頻率的轉(zhuǎn)換速度比較快，實(shí)現(xiàn)的雜散、相噪也比較低。

我們?cè)诹硪豢?X 波段氣象雷達(dá)接收機(jī)頻率源上采用直接合成方式，其一本振相位噪聲由原來(lái)的 -105 dBc/Hz @1 kHz，提高到 -119.2 dBc/Hz@1 kHz；雜散抑制由原來(lái)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(shè)計(jì)原理及分析

雷達(dá)所需的本振信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)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(biāo)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(nèi)部經(jīng)過(guò)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(hào)均通過(guò)直接合成的方式實(shí)現(xiàn)。信號(hào)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 100 MHz 晶振， 7.7 GHz、2.4 GHz 和 1.1 GHz 信號(hào)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(hào)直接通過(guò)功分放大濾波產(chǎn)生。100 MHz 信號(hào)直接通過(guò)功分放大濾波產(chǎn)生。480 MHz、120 MHz、20 MHz 時(shí)鐘頻率均通 過(guò) 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(hào)通過(guò) 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(guò)三工器合成一路功分放大。

為了實(shí)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(nèi)），其近端雜散達(dá)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(guò)濾不掉。）。距離中心頻率為 427.5 MHz 大概在 200 MHz 附近遠(yuǎn)端雜散為 -70 dBc，隨著輸出 DDS 頻率的提高，遠(yuǎn)端雜散離中心頻率越 來(lái)越近，距離在中心頻率為 696.5 MHz 處遠(yuǎn)端雜散為 100 MHz 時(shí)是 -68 dBc。因此，為了使混頻后的一本振產(chǎn)生低雜散，我們對(duì) DDS 輸出頻率（360 ～ 560）MHz進(jìn)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(huì)將 DDS 輸出頻率中遠(yuǎn)端雜散濾除比較干凈。圖 4 中通過(guò)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(diào)雜散并未落入（8.06 ～ 8.26）GHz 帶內(nèi)，因此，在 DDS 輸出頻率與 7.7 GHz 混頻后加了一個(gè) 8 160 MHz，帶寬為 200 MHz 的濾波器，實(shí)現(xiàn)輸出一本振實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)了一本振的低相位噪聲性能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(xì)分析了如何實(shí)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(jiǎn)單，實(shí)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(dá)接收機(jī)頻率源的不斷發(fā)展，直接合成技術(shù)將會(huì)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。

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（注：本文轉(zhuǎn)自《電子產(chǎn)品世界》2022年雜志6月期）