一種新型低雜散低相噪直接合成頻率源*

謝走甜， 王志偉， 李岸舟， 王瑞偉

(安徽四創電子股份有限公司， 安徽合肥 230088)

0 引言

近些年來，隨著雷達技術的高速發展，現代雷達對接收機要求越來越高，對接收機頻率源性能指標的要求也越來越高。特別是氣象雷達，探測的是風、雨、云等慢速、弱小的氣象目標，對接收機的高靈敏度、低雜散[1]、低相噪[2]要求更不低。而在一些特殊應用場所如機場等，很多時候則是長期24小時不間斷執勤，需要更高的可靠性。針對這些問題，我們采取了一種倒樹狀直接頻率合成方法，利用ADI公司生產的低抖動時鐘分配器多通道可編程的特點，實現雷達接收機一本振的寬帶多點跳頻及二本振、系統時鐘、采樣時鐘等頻率的合成，從而構建了一個高性能的穩定、可靠頻率源。

1 雷達接收機頻率源頻率合成方式及現狀

現代雷達由于組網或電子對抗的需要，大多都采用跳頻方式工作。為了方便多點跳頻，一般接收機頻率源都采用間接合成方式[3]。即采用鎖相環實現多點跳頻。該方式優點是頻率合成容易實現，結構簡單，成本低。不足之處是：1)相噪的好壞與鎖相環的設計及調試的經驗有關；2)環路在應對不同的氣候環境條件時可能會失鎖；3)鎖相環環路鎖定有一個建立時間，不利于捷變頻。另一種頻率合成方式是直接合成。理論上直接合成頻率轉換速度最快，輸出相位噪聲最低。一般采用分頻、倍頻、混頻等算術方式實現頻率合成，因而在工程上不易實現,特別是多點跳頻時更不容易實現。

目前國內也有一些廠家采用頻率直接合成方式進行產品的開發。有采用DDS直接合成的，也有采用傳統方式合成的。DDS直接合成近端雜散難以控制，同時相噪好壞與A/D，D/A器件位數有關，有截短現象，相噪某種程度上有一定損失；另一方面A/D，D/A器件受時鐘限制，難以實現寬帶跳頻。而傳統分頻、倍頻、混頻方式，電路復雜，需大量濾波器進行雜散抑制，通常采用微組裝電路實現，成本高，體積大。

雷達接收機一般由接收通道、頻率源、激勵源、標定/BITE及電源組成。而頻率源是聯系各部分的核心和紐帶；同時還提供雷達信號處理、監控等系統時鐘。其性能、可靠性也自然成為衡量一部雷達好壞的重要依據。因此，接收機頻率源一直成為各生產廠商研發的重點。接收機頻率源的性能指標也在不斷提高，特別是本振的相位噪聲。相位噪聲的大小與輸出頻率有關，按20logN變壞，N為倍頻次數。以C波段雷達接收機一本振為例，其相位噪聲已由原來的-107 dBc/Hz@ 1 kHz左右上升到-115 dBc/Hz@1 kHz左右，現在有的已達到-120 dBc/Hz@1 kHz以上，而頻率源性能指標的改善得益于頻率合成新技術及新器件的發展。

2 直接合成方法與工程實現

結合近年來國內外新技術、新器件，我們在某型氣象雷達接收機頻率源上采用直接合成方式實現了寬帶、低相噪、低雜散設計。根據國內外新器件的篩選和分析，利用倒樹狀結構完成頻率的倍頻、分頻；利用大規模集成電路的多通道、可編程性完成頻率的多點跳頻，這樣我們就能夠實現寬帶多點跳頻的直接合成，構建一個高性能、高可靠性的雷達接收機頻率源。

ADI公司在前些年生產了系列高性能可編程時鐘分配器：如AD9510和AD9516。片內集成有鑒相器、VCO、多通道可編程分頻器、驅動器等。利用VCO、鑒相器、環路濾波器形成的鎖相環產生一高頻頻率信號，再通過多通道可編程分頻器獲得所需的各種時鐘頻率，結構上猶如一倒樹狀。其片內自帶的鑒相器、VCO性能并非最佳，我們以倍頻振蕩器取而代之，從而形成一個完整的倒數狀直接合成頻率體系。用它來構建一個間隔 10 MHz，帶寬100 MHz的X波段頻率源的框圖如圖1所示。

圖1 直接合成X波段頻率源框圖

圖1中，倍頻振蕩器模塊內置100 MHz晶振，1.2 GHz和8 GHz信號均由其功分、倍頻、放大、濾波產生。接收機頻率源的二本振由倍頻振蕩器輸出的1.2 GHz信號通過功分放大濾波直接得到。其他系統時鐘、采樣時鐘則由輸入的1.2 GHz信號通過AD9510、AD9516在線編程的方式分頻獲取，然后放大濾波就可以了，非常高效、便捷。

一本振跳頻用AD9516的兩個通道完成。一個通道產生混頻的中頻IF信號，另一個通道產生100 MHz或150 MHz的本振LO信號，通過混頻、分段濾波產生60～160 MHz，每10 MHz一個點的11路跳頻信號如表1所示。

表1 跳頻點合成表

倍頻振蕩器模塊內置一個恒溫高穩定100 MHz晶體振蕩器，80倍頻后，產生一個8 GHz頻標信號，用作一本振混頻的本振LO信號。與AD9516合成的中頻IF信號混頻，產生X波段頻率源一本振信號。

由此可見，該頻率源的一本振是一個完全沒有鎖相環的寬帶多點跳頻直接合成本振。通過合理的變頻窗口的設計，選擇帶外抑制性高的濾波器以及信號的分腔隔離、電源濾波等，在保證低相噪的同時，實現低雜散。

圖2為頻綜模塊實物加工圖。

圖2 頻綜模塊實物加工圖

3 直接合成頻率源性能測試

我們對完成的X波段頻率源進行了性能測試。從輸出的各個本振、時鐘信號來看，頻譜純度較高，雜散抑制均優于-65 dBc。

圖3為完成的X波段頻率源一本振實物性能測試結果。圖3(a)為直接合成X波段頻率源的一本振輸出頻率、輸出功率和雜散抑制測試結果；圖3(b)為直接合成X波段頻率源的一本振相位噪聲測試結果。從圖中結果來看輸出為:

(a) 輸出頻率、輸出功率和雜散抑制測試結果

一本振頻率：8.13 GHz；

功率：11.66 dBm；

雜散抑制：-71.99 dBc；

相位噪聲：-119.21 dBc/Hz@1 kHz。

在參考晶振為100 MHz，相位噪聲為-160 dBc/Hz@1 kHz，一本振頻率在8 060～8 160 MHz條件下，按8 GHz估算，相位噪聲惡化20logN，N為80，即變差38 dB左右。理論上一本振相位噪聲應在-122 dBc/Hz@1 kHz附近，實測已達到 -119 dBc/Hz@1 kHz。接收機本振(特別是一本振)的相位噪聲會直接影響激勵輸出的改善因子，從而影響到雷達探測目標的分辨能力。因而，一個低雜散、低相噪的純凈本振信號對一個好的頻率源尤為重要。

4 本振相位噪聲對激勵輸出改善因子的影響

圖4為間接合成與直接合成激勵信號脈內信噪比對比。從圖中可以看出,圖4(a)間接合成激勵信號脈內的信噪比為68 dB，圖4(b)直接合成激勵信號脈內的信噪比為80.8 dB。按雷達激勵輸出改善因子公式計算：

(a) 間接合成頻率源

I=S/N+10log(RBW)+10log(B×τ)-10log(F)

(1)

式中，S/N為信噪比，RBW為分辨率帶寬，B為信號帶寬，τ為脈沖寬度，F為重復頻率。間接合成激勵輸出改善因子約為48 dB，直接合成激勵輸出改善因子約為60 dB。主要原因是間接合成一本振相位噪聲在-105 dBc/Hz@1 kHz左右，而直接合成一本振相位噪聲在-119 dBc/Hz@1 kHz上下。由此可見，直接合成激勵輸出改善因子優于間接合成激勵輸出改善因子12 dB左右。

長期以來，我們某型X波段雷達接收機激勵輸出改善因子都在50 dB左右，調制信號脈內信噪比不高。采用直接合成的頻率源后，一本振信號的低雜散、低相噪，使得激勵輸出調制信號脈內信噪比顯著提高[4]，改善因子達到60 dB左右，大大提高了雷達的整機性能。

5 直接合成X波段頻率源特點

1) 簡潔高效

傳統的直接合成頻率源電路結構復雜、體積龐大、鏈路隔離困難及雜散難以控制，電路功耗大，成本也高。而我們設計的X波段直接合成頻率源從原理框圖和實物圖可以看出，結構非常簡單，電路簡潔高效。

2) 體積小、重量輕

頻綜模塊尺寸為長210 mm、寬120 mm、高 40 mm，重量為1.86 kg，與間接合成雷達頻率源的頻綜模塊無論大小還是重量都相差無幾。

3) 合成頻率低雜散、低相噪、捷變頻

我們為某型雷達研制的直接合成頻率源，工作在X波段，帶寬100 MHz，步進10 MHz。在整個帶寬范圍內，一本振雜散抑制≤-65 dBc，相位噪聲≤-115 dBc/Hz@1 kHz。在使用相同晶振條件下，該指標明顯優于間接合成頻率源，對接收機性能指標的改善也尤為明顯。特別是在頻率轉換上，由于摒棄了鎖相環，變頻時間大大縮短。由原來的10 μs左右提高到650 ns以下，可以實現捷變頻[5]。這種技術在現代電子對抗中有著重要的作用。

4) 電路調試方便

在AD9510、AD9516的支撐下，所需頻率(包括多時鐘點頻、跳頻等)均可在線編程一次完成，多點跳頻相位噪聲一致性好。而間接合成主要采用鎖相環來完成，其中相位噪聲受鑒相器、VCO及環路帶寬等限制。要獲得低的相噪指標，不僅要掌握全面的鎖相環理論知識，還要有較高的電路設計能力及豐富的調試經驗，否則都難以達到理想的效果。

5) 電路穩定、可靠

頻率的合成主要由大規模集成電路AD9510、AD9516完成，沒有了倍頻、分頻、鑒相器、VCO等分離元件組成的電路，集成度大大提高。顯然，電路集成度越高，故障率越低，穩定性、可靠性越高。

6 結束語

我們為某型雷達接收機設計的直接合成X波段頻率源既有結構簡單、低雜散、易于實現,又有低相噪、捷變頻的特點，兼具直接合成和間接合成的優勢。同時由于采用了大規模集成電路設計，大大提高了該頻率源的可靠性和穩定性。隨著這種頻率直接合成技術的不斷完善和發展，相信它會更多地應用于其他頻率源的設計，滿足更多的不同要求。