X波段多功能頻率合成器設(shè)計(jì)

摘要：文章介紹了一種X波段多功能頻率合成器的設(shè)計(jì)方法，該方法以直接數(shù)字頻率合成(DDFS)和直接式模擬合成技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)優(yōu)化頻率規(guī)劃和引入相位噪聲清除技術(shù)，改善了頻率合成器雜散和相位噪聲性能。雷達(dá)激勵(lì)器采用了“任意波形產(chǎn)生(AWG)+IO調(diào)制”結(jié)構(gòu)，除產(chǎn)生雷達(dá)激勵(lì)波形外，兼具回波模擬器功能，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)硬件平臺(tái)，兩種功能的一體化設(shè)計(jì)，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。文章給出了原理框圖，并對(duì)相位噪聲、雜散等方面做重點(diǎn)的介紹和分析，文末給出了測(cè)試結(jié)果。

0 引言

頻率合成器是通信、雷達(dá)、儀器儀表等電子系統(tǒng)的心臟，其好壞直接影響著電子系統(tǒng)的性能。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)頻率合成器的要求也越來(lái)越高，低相位噪聲、低雜散、捷變頻、小型化、模塊化已成為雷達(dá)頻率合成器的發(fā)展趨勢(shì)。

傳統(tǒng)的直接式頻率合成利用倍頻器、分頻器和混頻器對(duì)頻率進(jìn)行加減乘除運(yùn)算，得到各種所需的頻率，直接式頻率合成器具有附加相位噪聲低、捷變頻等特點(diǎn)。通常，直接式頻率合成器體積較大、成本較高，使得該技術(shù)的應(yīng)用受到一定的限制，尤其在小頻率步進(jìn)的應(yīng)用場(chǎng)合。本文通過(guò)在直接式頻率合成中引入DDFS(直接數(shù)字頻率合成)技術(shù)，通過(guò)直接式頻率合成大帶寬、大步進(jìn)信號(hào)，通過(guò)DDFS合成小步進(jìn)的頻率信號(hào)，插入到直接式頻率合成的大步進(jìn)帶寬內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)大帶寬、小步進(jìn)的頻率合成，有效緩減直接式頻率合成器體積大、成本高的缺點(diǎn)。

本文所介紹的頻率合成器，采用了激勵(lì)器和目標(biāo)模擬器一體化的設(shè)計(jì)思路，文章通過(guò)分析雷達(dá)回波信號(hào)和雷達(dá)激勵(lì)信號(hào)的差異，設(shè)計(jì)了一種以“AWG+IO調(diào)制”為基礎(chǔ)的通用化的電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)既能完成雷達(dá)激勵(lì)波形產(chǎn)生，也可模擬雷達(dá)的各種回波信號(hào)。由于激勵(lì)器和模擬器采用同一套電路結(jié)構(gòu)，使激勵(lì)器和模擬器一體化設(shè)計(jì)成為可能。本方案與分離的頻率合成器模擬器相比，設(shè)備量更小、性價(jià)比高，具有很好的工程應(yīng)用前景。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 激勵(lì)器和模擬器的一體化設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)，雷達(dá)回波信號(hào)可以表述為：

從上式可以看出，雷達(dá)激勵(lì)信號(hào)可以看作雷達(dá)回波信號(hào)的一種特例，當(dāng)回波信號(hào)多普勒頻率為零，

距離為某一定值，且位于天線波束寬度內(nèi)時(shí)，回波信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)僅存在一個(gè)幅度上差別，這也是本文模擬器激勵(lì)器一體化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

雷達(dá)模擬器主要完成雷達(dá)波形與距離、多普勒頻率、天線方向圖的調(diào)制，由于雷達(dá)波形采用了基于DDWS(直接數(shù)字波形合成)的任意波形產(chǎn)生技術(shù)，所有雷達(dá)激勵(lì)波形的采樣信息存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器中，通過(guò)尋址不同的存儲(chǔ)空間，并將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)送入到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，從而完成雷達(dá)激勵(lì)波形的重構(gòu)。多普勒調(diào)制采用了文獻(xiàn)的數(shù)字IQ調(diào)制器技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如圖1中的多普勒調(diào)制部分。在本頻率合成器設(shè)計(jì)中，頻率合成器實(shí)時(shí)接收雷達(dá)天線方位、俯仰角，解算出天線指向角與目標(biāo)問的角誤差，并對(duì)和差通道進(jìn)行方向圖的幅度相位調(diào)制，當(dāng)天線指向角與航跡角相等時(shí)，角誤差為0，雷達(dá)精確地跟蹤上目標(biāo);當(dāng)角誤差超過(guò)雷達(dá)的波束寬度，判為目標(biāo)丟失，關(guān)閉信號(hào)輸出，直至雷達(dá)重新截獲目標(biāo)。完整中頻回波模擬(激勵(lì)器)信號(hào)流程如圖1所示(僅和差三通道中的一路)。

1.2 方案設(shè)計(jì)

X波段頻率合成器原理框圖如圖2所示，該合成器由9個(gè)模塊組成，其中基準(zhǔn)源和二本組件采用間接式頻率合成技術(shù)，通過(guò)取樣鎖相技術(shù)將960MHz聲表面波振蕩器和1600MHz同軸介質(zhì)振蕩器分別鎖定在80MHz晶體振蕩器的12次和20次諧波上，附加相位噪聲低。960MHz經(jīng)二分頻和四分頻后得到480MHz和240MHz，分別用作任意波形發(fā)生器和頻標(biāo)組件的時(shí)鐘(或基準(zhǔn))信號(hào)。頻標(biāo)組件由梳譜發(fā)生器和開關(guān)濾波組件組成，用于產(chǎn)生步進(jìn)為240MHz、帶寬960MHz的頻標(biāo)信號(hào)。DDFS選用ADI公司的DDS芯片AD9910為主芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)240MHz帶寬內(nèi)無(wú)縫的頻率覆蓋，DDFS先倍頻后，再經(jīng)由開關(guān)濾波后輸出，二者混頻濾波后產(chǎn)生捷變頻的一本振信號(hào)。任意波形發(fā)生器用于產(chǎn)生中心頻率為120MHz的中頻激勵(lì)波形，該信號(hào)與二本振、一本振通過(guò)二次變頻后產(chǎn)生最終的激勵(lì)信號(hào)，該信號(hào)耦合出一路信號(hào)，送入模擬器組件。模擬器組件主要功能是模擬三通道和差波束特性，其中距離衰減模擬采用衰減器實(shí)現(xiàn)，角度模擬采用高精度數(shù)控衰減器和移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 性能分析

2.1 相位噪聲

本頻率合成器中近區(qū)相位噪聲主要由晶體振蕩器、倍頻器及諧波發(fā)生器的剩余相位噪聲決定，理論上，倍頻器及諧波發(fā)生器對(duì)輸入信號(hào)的相位噪聲有20logN的惡化，而分頻器對(duì)輸入信號(hào)有20logN的改善作用，N為倍頻或分頻次數(shù)。本頻率合成器選用的80MHz晶體振蕩器相位噪聲為-1 60dBc/Hz@1kHz，如圖2所示，X波段一本振由頻標(biāo)組件和DDFS混頻產(chǎn)生，頻標(biāo)組件以10GHz輸出為例，相對(duì)于80MHz而言，其等效的倍頻次數(shù)為125，則頻標(biāo)組件輸出的相位噪聲理論上為：

-1 60dBc/Hz@1kHz+20log 125=-11 8dBc/Hz@1kHz

960MHz時(shí)鐘信號(hào)相噪為：

-160dBc/Hz@1kHz+20log12=-1 38dBc/Hz@1kHz

理論上，DDS可以看作一個(gè)小數(shù)分頻器，DDS輸出對(duì)輸入信號(hào)有20logN的改善作用。根據(jù)AD9910數(shù)據(jù)手冊(cè)，AD9910本底相位噪聲較高，960MHz時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲性能遠(yuǎn)低于AD9910的本底相位噪聲性能，所以DDFS輸出的相位噪聲將由AD9910決定。本方案中DDFS最高工作頻率為300MHz左右，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)估算，其相噪指標(biāo)約為-1 29dBc/Hz@1kHz，經(jīng)倍頻后噪聲惡化為：

-1 29dBc/Hz@1kHz+20log2=-1 23dBc/Hz@1kHz

則頻標(biāo)組件和DDFS合成的相位噪聲為114dBc/Hz@1kHz，考慮到工程上3～5dB的裕量，X波段頻率合成器最終的相位噪聲將達(dá)到-109dBc /Hz@1kHz。

2.2 雜散

通過(guò)頻率規(guī)劃，尋找最優(yōu)的寄生響應(yīng)窗口，從而減輕混頻后濾波設(shè)計(jì)的壓力。將本頻率合成器模型代入ADS分析，一本振信號(hào)在8～12 GHz范圍內(nèi)雜散分布及相對(duì)電平如表1所示。

上述雜散信號(hào)均在信號(hào)帶寬外，除6*IF與本振信號(hào)較近外，其余雜散信號(hào)與本振(即頻標(biāo)輸出)在頻譜上均拉開了一段距離，通過(guò)后置的高性能“硅腔濾波器+低通濾波器”組合，可以將一本振雜散抑制到-90dBc的水平。由于6*IF與一本振信號(hào)較近，抑制能力有限，6*IF仍維持在-88dBc的水平，考慮到后置的功率放大器處于飽和狀態(tài)，以及電路及腔體隔離度的影響，最終的雜散抑制大約為-75dBc左右。

3 研制結(jié)果

本頻率合成器采用了雙面分腔結(jié)構(gòu)，鋁合金材料制造，外形尺寸為245×200×33(mm)，重量約為2.6kg。其相位噪聲、雜散測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。測(cè)試結(jié)果， 其相位噪聲達(dá)到了一108dBc/Hz@1kHz，雜散電平在4GHz帶寬內(nèi)優(yōu)于一70dBc，與設(shè)計(jì)吻合較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種X波段多功能頻率合成器(激勵(lì)器)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)采用“DDFS+直接式”合成本振信號(hào)，采用“AWG+正交調(diào)制”形成激勵(lì)和雷達(dá)回波信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了本振信號(hào)、激勵(lì)器、模擬器三者的一體化設(shè)計(jì);本頻率合成器兼具直接式數(shù)字頻率合成、直接式模擬合成的優(yōu)點(diǎn)，良好的波形和頻率擴(kuò)展能力，是一種較為理想的頻率合成器方案，為頻率合成器的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化提供了一種有效的技術(shù)途徑。