劉類驥，王立生

(成都天奧電子股份有限公司，成都 611731)

1 引言

頻率源是現(xiàn)代雷達(dá)的關(guān)鍵組成部分，是一種復(fù)雜的多功能組件?，F(xiàn)代雷達(dá)頻率源通常包括發(fā)射激勵源、捷變頻本振源、點(diǎn)頻本振源和各類參考時鐘信號，發(fā)射激勵源通常為參數(shù)可靈活配置的線性調(diào)頻信號，并且能夠與本振源同時實(shí)現(xiàn)頻率捷變。

現(xiàn)代雷達(dá)為實(shí)現(xiàn)多功能的整機(jī)性能，要求頻率源有低相位噪聲、低雜散和快速頻率捷變能力。同時，要使整個電子設(shè)備正常工作，頻率源必須具有高可靠性，并滿足小體積、低成本等要求［1］。絕大多數(shù)傳統(tǒng)雷達(dá)頻率源方案都采用了直接頻率合成方式，可以獲得優(yōu)良的性能指標(biāo)，但實(shí)現(xiàn)方案復(fù)雜，體積大，成本高。

針對傳統(tǒng)雷達(dá)頻率源方案的不足，本文提出了一種新穎簡易的雷達(dá)頻率源設(shè)計方案。文中首先介紹了傳統(tǒng)雷達(dá)頻率源的直接合成方案的特點(diǎn)和劣勢，隨后提出了簡易雷達(dá)頻率源方案的設(shè)計思路和方法，依此方法設(shè)計了一種X頻段地面雷達(dá)頻率源，最后給出了具體實(shí)現(xiàn)方案和實(shí)際達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)水平。

2 雷達(dá)頻率源傳統(tǒng)設(shè)計方法

傳統(tǒng)雷達(dá)頻率源方案大多采用直接頻率合成方式實(shí)現(xiàn)，即通過對參考信號進(jìn)行直接倍頻、混頻、分頻實(shí)現(xiàn)頻率變換，利用微波開關(guān)和濾波器在多個同時存在的頻率中于不同時刻選出所需不同的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)頻率合成。在實(shí)際電路中，通常采用了倍頻器、梳狀譜發(fā)生器、寬帶混頻器和高速開關(guān)濾波組件等電路形式。如某Ku頻段雷達(dá)頻率源［2］即采用了直接合成方案，方案框圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)雷達(dá)頻率源直接合成方案Fig.1 Traditional radar direct frequency synthesis scheme

傳統(tǒng)頻率直接合成方案采用的是“自低而高”的合成方式，將低頻參考信號通過逐次倍頻、上變頻等方式獲得各高頻微波信號，再通過開關(guān)和濾波器組實(shí)現(xiàn)頻率選擇。直接頻率合成方案具有捷變頻和近載波相位噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是方案復(fù)雜，同時存在大量頻率成分，由高次倍頻、變頻產(chǎn)生的組合干擾多，大量微波開關(guān)和濾波器組件的使用造成直接式頻率合成器體積大，成本高［3］。

3 一種雷達(dá)頻率源的簡易設(shè)計方案

本文提出一種雷達(dá)頻率源的簡易設(shè)計方案，采用“自高而低”的設(shè)計思路，首先由參考信號經(jīng)低相噪鎖相方式產(chǎn)生1～2個微波主振信號，再經(jīng)過逐次向下分頻得到多個頻標(biāo)信號;采用一個或多個DDS產(chǎn)生中頻線性調(diào)頻信號、捷變頻信號等，與各頻標(biāo)信號進(jìn)行多次混頻實(shí)現(xiàn)頻譜搬移，得到雷達(dá)頻率源中各類信號輸出。圖2給出了此種方案的頻率流程框圖。

圖2 信號頻率流程Fig.2 Signal frequency relationship

參考信號fr通過低相噪鎖相方式產(chǎn)生微波主振信號fPA和fPB，fPA和fPB經(jīng)逐次分頻得到頻標(biāo)信號fa1、fa2…fan和 fb1、fb2…fbn，DDS 信號為 fdds1、fdds2，雷達(dá)輸出信號為fout。由圖2，各信號具有如下頻率關(guān)系:

與傳統(tǒng)雷達(dá)頻率源直接合成采用的“自低而高”逐次倍頻的方案相比，“自高而低”的混合頻率合成設(shè)計簡化了方案，避免了大量同時存在的中間頻率成分，使得在硬件設(shè)計上不需采用直接倍頻器、梳狀譜發(fā)生器、開關(guān)濾波組件等較為復(fù)雜的電路，大大降低了方案的復(fù)雜程度，有利于小型化、低成本設(shè)計。在技術(shù)指標(biāo)上，微波主振信號采用取樣鎖相源(PDRO)實(shí)現(xiàn)低相噪鎖相，可以獲得與直接倍頻相當(dāng)?shù)南嘣胨?頻率捷變功能由高速DDS實(shí)現(xiàn)，無PLL惰性環(huán)節(jié)，指標(biāo)與直接頻率合成方式相同;在頻率關(guān)系設(shè)計上，通過合理選擇fPA、fPB、fdds和分頻比N、M以及變頻次數(shù)，可使得各信號的交調(diào)產(chǎn)物落在帶外，獲得優(yōu)于直接合成方案的雜散指標(biāo)。

4 雷達(dá)頻率源設(shè)計實(shí)例

4.1 雷達(dá)頻率源的設(shè)計方案

某型X頻段地面雷達(dá)頻率源包括X頻段發(fā)射激勵源信號、捷變頻本振信號、點(diǎn)頻本振信號、系統(tǒng)時鐘等。激勵源為X頻段線性調(diào)頻(LFM)信號，并具有細(xì)步進(jìn)模擬多普勒頻率偏移功能;捷變頻本振信號與激勵源同步跳頻，但輸出頻率激勵源低33 MHz。頻率源主要指標(biāo)要求如下:跳頻時間優(yōu)于5#s，相噪優(yōu)于－105 dBc/Hz@1 kHz、－110dBc/Hz@10kHz、－115 dBc/Hz@100kHz，雜散優(yōu)于65 dBc。

采用前述“自高而低”的設(shè)計方法，設(shè)計本頻率源方案框圖如圖3所示，為了更清晰展示頻率關(guān)系，圖中省略了放大器、濾波器等器件。

圖3 X頻段頻率源方案框圖Fig.3 Block diagram of the X－band frequency synthesizer

頻率源內(nèi)置100MHz恒溫晶振作為參考信號，產(chǎn)生fPLL和fPDRO兩個微波主振信號;方案采用了兩個DDS，DDS1產(chǎn)生低頻線性調(diào)頻信號和頻率捷變功能，DDS2輸出中心頻率33 MHz，用于實(shí)現(xiàn)多普勒模擬源功能;接收跳頻本振采用一次混頻方案，發(fā)射激勵源采用兩次混頻方案，兩者共用的混頻本振信號采用兩次混頻方案，通過一共5次混頻實(shí)現(xiàn)了頻譜搬移，得到X頻段激勵源和跳頻本振信號。時鐘信號fC和點(diǎn)頻fS由fPLL逐次分頻得到，激勵信號fT和跳頻本振fLO通過各信號的頻率組合獲得，如式(6)～(9)所示:

4.2 頻率源實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑

方案采用兩個DDS分別實(shí)現(xiàn)LFM信號、輸出頻率捷變和33 MHz模擬多普勒頻率偏移信號。對DDS器件的選擇，綜合考慮時鐘頻率、復(fù)雜波形產(chǎn)生能力、雜散性能、器件功耗和控制方式等多種因素，選擇ADI公司的AD9910。AD9910最高時鐘頻率1 GHz，32b相位累加器、14b DAC，具有優(yōu)于80dBc的窄帶SFDR的優(yōu)良雜散性能。AD9910具有快速相位和幅度切換功能，支持用戶自定義的數(shù)控數(shù)字斜坡工作模式，可實(shí)現(xiàn)頻率、相位或振幅隨時間呈線性變化。

AD9910支持4種工作模式，即單頻調(diào)制模式、RAM調(diào)制模式、數(shù)字斜坡調(diào)制模式和并行數(shù)據(jù)端口調(diào)制模式。

本方案中的LFM信號采用數(shù)字斜坡調(diào)制模式，DDS信號控制參數(shù)由數(shù)字斜坡發(fā)生器(DRG)提供，斜坡發(fā)生產(chǎn)生由串行I/O口控制。通過控制斜坡上升(或下降)方向、斜坡速率、斜坡上下限值、斜坡步長和步率，實(shí)現(xiàn)多種模式的 LFM信號［4］。33 MHz模擬多普勒頻率偏移信號采用單頻調(diào)制工作模式實(shí)現(xiàn)，控制參數(shù)由內(nèi)部寄存器產(chǎn)生。

為了獲得最優(yōu)的頻率源相位噪聲指標(biāo)，混頻本振采用低相噪鎖相介質(zhì)振蕩器(PDRO)實(shí)現(xiàn)。PDRO工作原理為模擬鑒相方式，參考源在模擬鑒相器中產(chǎn)生的高次諧波成分與反饋射頻信號鑒相。方案避免了數(shù)字PLL器件自身相噪基底的引入，可以獲得接近于理論值的帶內(nèi)相噪指標(biāo);而介質(zhì)振蕩器(DRO)比普通VCO具有更優(yōu)的遠(yuǎn)端相噪指標(biāo)，因此采用PDRO可以在全頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的相噪水平。

4.3 主要指標(biāo)分析

頻率源的頻率捷變功能由DDS1實(shí)現(xiàn)，DDS的頻率轉(zhuǎn)換包括DDS頻率控制字的譯碼計算、DDS頻率控制字的SPI串口寫入和DDS自身頻率轉(zhuǎn)換3個過程。采用FPGA作為頻率源的控制器件，實(shí)現(xiàn)外部輸入頻率控制字的譯碼計算和對DDS頻率的串口控制，譯碼所需時間約為20ns，DDS SPI串口通信時間約為1.3#s，DDS自身頻率切換時間約 100ns，因此總的頻率源切換時間約為 1.4#s［5］。

微波主振信號的產(chǎn)生采用取樣鎖相源方案，其相位噪聲與倍頻理論值幾乎相當(dāng)，即按照20lgN的關(guān)系惡化(N為倍頻次數(shù))，依照頻率源100MHz參考信號的指標(biāo)可得到 FPDRO相噪指標(biāo)約為－110dBc/Hz@1 kHz、－115 dBc/Hz@10kHz、－120dBc/Hz@100kHz。

頻率源共包含了5次混頻過程，采用有較多分頻器，因此雜散的一個重要來源為混頻產(chǎn)生的高階交調(diào)產(chǎn)物和分頻器的高次諧波成分。對于諧波成分豐富分頻器，在其輸出端采用低通濾波器濾除諧波，以獲得盡量純凈的頻譜;對于混頻器的處理，需要精心設(shè)計頻率關(guān)系，保證低階交調(diào)頻率成分落入信號帶寬以外，采用窄帶帶通濾波器濾除本振信號和無用邊帶信號。經(jīng)過計算，每一級混頻的4×4階以內(nèi)的交調(diào)頻率無落在帶內(nèi)的情況，均可通過帶通濾波器濾除。

4.4 指標(biāo)測試結(jié)果

雷達(dá)頻率源的結(jié)構(gòu)尺寸為220mm×200mm×40mm，采用頻譜儀E4440A測試頻率源頻率、雜散、諧波等指標(biāo)，采用相噪測試儀PN8010測試相位噪聲，采用示波器DPO7254測試跳頻時間，主要指標(biāo)如下:相位噪聲－106 dBc/Hz@1 kHz，－114 dBc/Hz @10kHz，－119 dBc/Hz@100kHz，跳頻時間約為 2#s，雜散抑制－70dBc。圖4和圖5分別為輸出信號的頻譜和相位噪聲曲線。由此可知，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足要求。

圖4 輸出信號頻譜Fig.4 Frequency spectrum

圖5 相位噪聲測試曲線Fig.5 Measured result of phase noise

5 結(jié)論

本文介紹了一種有別于傳統(tǒng)直接合成方案的雷達(dá)頻率源簡易設(shè)計方法，采用了“自高而低”的頻率設(shè)計方案，頻標(biāo)頻率由主振信號分頻得到，減少了中間頻率的數(shù)量，雜散遠(yuǎn)離載頻易于濾除，避免采用直接倍頻器和開關(guān)濾波組件，降低了設(shè)計難度，縮小了體積和成本。取樣鎖相源和高速DDS的使用獲得了與直接頻率合成方案相當(dāng)?shù)募夹g(shù)指標(biāo)。此外，采用微波高主振頻率還可獲得更優(yōu)的遠(yuǎn)端相噪水平，在脈沖多普勒雷達(dá)中有更好的表現(xiàn)?；诒痉桨冈O(shè)計的一種X頻段雷達(dá)頻率源實(shí)現(xiàn)了滿足要求的技術(shù)指標(biāo)，方案可推廣應(yīng)用于各種現(xiàn)代多功能雷達(dá)系統(tǒng)中。

［1］楊遠(yuǎn)望，蔡竟業(yè)，劉鐮斧.毫米波低相噪捷變頻高分辨率雷達(dá)頻率源設(shè)計［J］電子技術(shù)應(yīng)用，2011(10):56－59.YANG Yuan－wang，CAI Jing－ye，LIU Lian－fu.Development of transceiver intermediate frequency parts for S－band coherent radar with fast frequency switching［J］.Application of Electronic Technique，2011(10):56－59.(in Chinese)

［2］張文勤.Ku波段直接頻率綜合器設(shè)計［J］.壓電與聲光，2007(10):499－501.ZHANG Wen－qin.Design of Ku Band Direct Frequency Synthesizer［J］.Piezoelectrics ＆ Acoustooptics，2007(10):499－501.(in Chinese)

［3］劉永智，徐盛旺，高樹廷.超寬帶頻率合成器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］電訊技術(shù)，2009，49(12):88－90.LIU Yong－zhi，XU Sheng－wang，GAO Shu－ting.Design and Implementation of an Ultra Wideband Frequency Synthesizer［J］.Telecommunication Engineering，2009，49(12):88－90.(in Chinese)

［4］胡茂海，蔣鴻宇，嚴(yán)俊，等.基于AD9910的多通道信號發(fā)生器［J］信息與電子工程，2012(1):77－81.HU Mao－h(huán)ai，JIANG Hong－yu，YAN Jun，et al.Multi－channel Signal Generator Based on AD9910［J］.Information and Electronic Engineering，2012(1):77－81.(in Chinese)

［5］王立生.一種新穎的捷變頻頻率合成器設(shè)計［J］.電訊技術(shù)，2011，51(12):105－108.WANG Li－sheng.Design of a Novel Agile Frequency Synthesizer［J］.Telecommunication Engineering，2011，51(12):105－108.(in Chinese)