毫米波線性調頻源的實現

尹興 田建召 夏燁巍

摘要：伴隨著毫米波技術在各個領域被越來越多的應用，其信號的產生成為一個技術熱點。為滿足寬帶毫米波雷達對信號源的較高要求，本文闡述利用直接數字頻率合成技術（DDS）、鎖相環技術（PLL）和倍頻技術設計的寬帶毫米波線性調頻信號源的實現。該毫米波調頻信號源具有低相噪、高頻率穩定度和可生產性高的特點，具有較高的工程實用價值和廣泛的應用前景。實測結果表明：該線性調頻源輸出幅度大于+5dBm，相位噪聲≤-95dB/Hz@10kHz。

關鍵詞：線性調頻；毫米波頻段；鎖相環PLL；直接數字頻率合成技術DDS

引言

近年來伴隨著毫米波技術在各個領域（如衛星、雷達、定位系統等）被越來越多的應用，高質量信號源的設計成為一個技術熱點。尤其是線性調頻信號源，在雷達系統中有著廣泛的應用，且對整機性能起到關鍵作用。相對與傳統的模擬方式，采用直接數字頻率合成（DDS）方式雖然輸出信號頻率較低，但其具有頻率分辨率高、轉換速度快，體積小、可編程等優點，能夠通過計算機控制，靈活產生不同參數的波形，很好的滿足系統對多種復雜形式信號的要求，并具有極佳的線性度和準確度；生產過程中的一致性也容易保證。因此現代雷系統中復雜調制信號的產生往往是利用DDS技術在較低頻率產生中頻信號，然后通過變頻方式將其搬移至更高的所需頻率[1]。

本文給出了用DDS+PLL+倍頻技術結合產生毫米波線性調頻信號的實現方案，具備高線性度、低相位噪聲和高可靠、易實現模塊化的特點。系統要求輸出相位噪聲≤-95dBc/Hz@10kHz，雜散抑制≥70dB條件下，實現200MHz調頻帶寬。

1.設計方案

本方案要求輸出線性調頻毫米波線性調頻源中心頻率34.24GHz，輸出相位噪聲優于-95dBc/Hz@10kHz，設計方案框圖如圖1所示。工作頻率100MHz的恒溫控制晶體振蕩器OCXO通過時鐘分路器為頻率源系統中的L頻段鎖相環和X頻段鎖相環提供參考信號。L波段鎖相環的作用是產生1GHz 單音信號，作為DDS的參考時鐘信號，選用型號為LMX2595，芯片內部集成VCO及整數分頻器。DDS芯片選用AD9910直接數字頻率合成器，輸出140MHz標準中頻線性調頻信號，帶寬12.5MHz。中頻LFM信號需要先后經過四倍頻和中頻帶通濾波，最終與X頻段鎖相環輸出的點頻信號混頻。為實現低相噪輸出，X頻PLL選用噪聲底極低的集成鎖相環芯片LMX2615，輸出8000MHz本振信號。兩路信號通過混頻，濾波和四倍頻，得到34.24GHz的毫米波調頻信號，如圖1所示：

2.關鍵電路分析與綜合

2.1晶振減振系統設計

設備工作時，會受到來自地面的振動，還會受到水平方向的沖擊波，兩者的受力方向相互垂直。當振動、沖擊影響達到一定程度后，會引起晶振輸出的信號頻率偏移，從而影響整機的工作指標[2]。

隔振系統要保護晶振不因環境的振動、沖擊而損壞，而且要在振動沖擊環境下，電氣性能的變化在允許的范圍內。減振系統垂直放置，浮動安裝，先將晶振固定在一個框架上，框架四角用了四個截錐螺旋彈簧（硬彈簧系統）。當垂直方向的作用力比較小時，彈簧剛度比線性彈簧小，當垂直方向作用力比較大時，彈簧剛度比線性彈簧大。由于它的阻尼非常小，又在垂直方向加了一個阻尼裝置。四個彈簧承受重力，和阻尼裝置共同承擔來自垂直方向振動激勵，達到減振目的。在水平方向，加了兩個具有減振緩沖作用的軟體材料，從底部和上蓋兩個方向把晶振夾在中間，水平方向的減振緩沖裝置就起作用了[3]，如圖2所示。

晶振隔振緩沖系統已在實際的工程中得到應用，經多次的實際工作證明，晶振隔振緩沖系統完全滿足使用要求，由振動、沖擊引起的輸出信號頻率偏移可忽略不計。

2.2 1GHz時鐘和DDS設計

1GHz采樣時鐘選用單片LMX2595實現，此寬帶射頻合成器將PLL設計所需的鑒相器和VCO等集成在了芯片內部，設計中只需要在器件外部電路構建合適的環路濾波器。通過優化環路帶寬，可得相位噪聲-132.5dBc/Hz@10kHz，仿真結構如圖3所示：

參考文獻

[1]王文才，陳昌明，黃剛.PLL驅動DDS的低相噪小步進LFM信號源設計[J].2015.4月.第38卷

[2]陳亞良，李東來，徐金榮. 晶體振蕩器隔振系統理論研究[ J ]電子機械工程.2005（5）：26-29

[3]霍治生，郭欣茹.一種高穩定度晶振的隔振緩沖結構設計.電子機械工程.2006.5月.第22卷

[4]梁木生，唐小宏，李金艷.Ka波段微帶四倍頻器研制.電子科技大學學報.2008.6月.第37卷

[5]王抗旱.寬帶毫米波四倍頻器.半導體技術2012.3月.第37卷

作者簡介：尹興（1983-），男，中國電子科技集團公司第54研究所，工程師，從事射頻電路研究和設計。

田建召（1979-），男，中國電子科技集團公司電子科學研究院，高級工程師，從事射頻電路及復雜系統研究。

夏燁巍（1985-）男，中國電子科技集團公司第54研究所，工程師，從事射頻電路研究和設計。

（作者單位：1.中國電子科技集團公司第54研究所；2.中國電子科技集團公司電子科學研究院）