謝走甜， 王志偉， 李岸舟， 王瑞偉

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司， 安徽合肥 230088)

0 引言

近些年來，隨著雷達(dá)技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)對接收機要求越來越高，對接收機頻率源性能指標(biāo)的要求也越來越高。特別是氣象雷達(dá)，探測的是風(fēng)、雨、云等慢速、弱小的氣象目標(biāo)，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(yīng)用場所如機場等，很多時候則是長期24小時不間斷執(zhí)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(chǎn)的低抖動時鐘分配器多通道可編程的特點，實現(xiàn)雷達(dá)接收機一本振的寬帶多點跳頻及二本振、系統(tǒng)時鐘、采樣時鐘等頻率的合成，從而構(gòu)建了一個高性能的穩(wěn)定、可靠頻率源。

1 雷達(dá)接收機頻率源頻率合成方式及現(xiàn)狀

現(xiàn)代雷達(dá)由于組網(wǎng)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(huán)實現(xiàn)多點跳頻。該方式優(yōu)點是頻率合成容易實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。不足之處是：1)相噪的好壞與鎖相環(huán)的設(shè)計及調(diào)試的經(jīng)驗有關(guān)；2)環(huán)路在應(yīng)對不同的氣候環(huán)境條件時可能會失鎖；3)鎖相環(huán)環(huán)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(zhuǎn)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(shù)方式實現(xiàn)頻率合成，因而在工程上不易實現(xiàn),特別是多點跳頻時更不容易實現(xiàn)。

目前國內(nèi)也有一些廠家采用頻率直接合成方式進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)。有采用DDS直接合成的，也有采用傳統(tǒng)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(shù)有關(guān)，有截短現(xiàn)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(xiàn)寬帶跳頻。而傳統(tǒng)分頻、倍頻、混頻方式，電路復(fù)雜，需大量濾波器進(jìn)行雜散抑制，通常采用微組裝電路實現(xiàn)，成本高，體積大。

雷達(dá)接收機一般由接收通道、頻率源、激勵源、標(biāo)定/BITE及電源組成。而頻率源是聯(lián)系各部分的核心和紐帶；同時還提供雷達(dá)信號處理、監(jiān)控等系統(tǒng)時鐘。其性能、可靠性也自然成為衡量一部雷達(dá)好壞的重要依據(jù)。因此，接收機頻率源一直成為各生產(chǎn)廠商研發(fā)的重點。接收機頻率源的性能指標(biāo)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(guān)，按20logN變壞，N為倍頻次數(shù)。以C波段雷達(dá)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(xiàn)在有的已達(dá)到-120 dBc/Hz@1 kHz以上，而頻率源性能指標(biāo)的改善得益于頻率合成新技術(shù)及新器件的發(fā)展。

2 直接合成方法與工程實現(xiàn)

結(jié)合近年來國內(nèi)外新技術(shù)、新器件，我們在某型氣象雷達(dá)接收機頻率源上采用直接合成方式實現(xiàn)了寬帶、低相噪、低雜散設(shè)計。根據(jù)國內(nèi)外新器件的篩選和分析，利用倒樹狀結(jié)構(gòu)完成頻率的倍頻、分頻；利用大規(guī)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?qū)崿F(xiàn)寬帶多點跳頻的直接合成，構(gòu)建一個高性能、高可靠性的雷達(dá)接收機頻率源。

ADI公司在前些年生產(chǎn)了系列高性能可編程時鐘分配器：如AD9510和AD9516。片內(nèi)集成有鑒相器、VCO、多通道可編程分頻器、驅(qū)動器等。利用VCO、鑒相器、環(huán)路濾波器形成的鎖相環(huán)產(chǎn)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(jié)構(gòu)上猶如一倒樹狀。其片內(nèi)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(shù)狀直接合成頻率體系。用它來構(gòu)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(nèi)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(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)生混頻的中頻IF信號，另一個通道產(chǎn)生100 MHz或150 MHz的本振LO信號，通過混頻、分段濾波產(chǎn)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(nèi)置一個恒溫高穩(wěn)定100 MHz晶體振蕩器，80倍頻后，產(chǎn)生一個8 GHz頻標(biāo)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(chǎn)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(huán)的寬帶多點跳頻直接合成本振。通過合理的變頻窗口的設(shè)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(xiàn)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(jìn)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(yōu)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(jié)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(jié)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(jié)果。從圖中結(jié)果來看輸出為:

(a) 輸出頻率、輸出功率和雜散抑制測試結(jié)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(yīng)在-122 dBc/Hz@1 kHz附近，實測已達(dá)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(dá)探測目標(biāo)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(nèi)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(nèi)的信噪比為68 dB，圖4(b)直接合成激勵信號脈內(nèi)的信噪比為80.8 dB。按雷達(dá)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(xiàn)為重復(fù)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(yōu)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(dá)接收機激勵輸出改善因子都在50 dB左右，調(diào)制信號脈內(nèi)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(diào)制信號脈內(nèi)信噪比顯著提高[4]，改善因子達(dá)到60 dB左右，大大提高了雷達(dá)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(tǒng)的直接合成頻率源電路結(jié)構(gòu)復(fù)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(shè)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(jié)構(gòu)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(dá)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?yōu)槟承屠走_(dá)研制的直接合成頻率源，工作在X波段，帶寬100 MHz，步進(jìn)10 MHz。在整個帶寬范圍內(nèi)，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(biāo)明顯優(yōu)于間接合成頻率源，對接收機性能指標(biāo)的改善也尤為明顯。特別是在頻率轉(zhuǎn)換上，由于摒棄了鎖相環(huán)，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(xiàn)捷變頻[5]。這種技術(shù)在現(xiàn)代電子對抗中有著重要的作用。

4) 電路調(diào)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(huán)來完成，其中相位噪聲受鑒相器、VCO及環(huán)路帶寬等限制。要獲得低的相噪指標(biāo)，不僅要掌握全面的鎖相環(huán)理論知識，還要有較高的電路設(shè)計能力及豐富的調(diào)試經(jīng)驗，否則都難以達(dá)到理想的效果。

5) 電路穩(wěn)定、可靠

頻率的合成主要由大規(guī)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(wěn)定性、可靠性越高。

6 結(jié)束語

我們?yōu)槟承屠走_(dá)接收機設(shè)計的直接合成X波段頻率源既有結(jié)構(gòu)簡單、低雜散、易于實現(xiàn),又有低相噪、捷變頻的特點，兼具直接合成和間接合成的優(yōu)勢。同時由于采用了大規(guī)模集成電路設(shè)計，大大提高了該頻率源的可靠性和穩(wěn)定性。隨著這種頻率直接合成技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，相信它會更多地應(yīng)用于其他頻率源的設(shè)計，滿足更多的不同要求。