一种新型低杂散低相噪直接合成频率源*

谢走甜， 王志伟， 李岸舟， 王瑞伟

(安徽四创电子股份有限公司， 安徽合肥 230088)

0 引言

近些年来，随着雷达技术的高速发展，现代雷达对接收机要求越来越高，对接收机频率源性能指标的要求也越来越高。特别是气象雷达，探测的是风、雨、云等慢速、弱小的气象目标，对接收机的高灵敏度、低杂散[1]、低相噪[2]要求更不低。而在一些特殊应用场所如机场等，很多时候则是长期24小时不间断执勤，需要更高的可靠性。针对这些问题，我们采取了一种倒树状直接频率合成方法，利用ADI公司生产的低抖动时钟分配器多通道可编程的特点，实现雷达接收机一本振的宽带多点跳频及二本振、系统时钟、采样时钟等频率的合成，从而构建了一个高性能的稳定、可靠频率源。

1 雷达接收机频率源频率合成方式及现状

现代雷达由于组网或电子对抗的需要，大多都采用跳频方式工作。为了方便多点跳频，一般接收机频率源都采用间接合成方式[3]。即采用锁相环实现多点跳频。该方式优点是频率合成容易实现，结构简单，成本低。不足之处是：1)相噪的好坏与锁相环的设计及调试的经验有关；2)环路在应对不同的气候环境条件时可能会失锁；3)锁相环环路锁定有一个建立时间，不利于捷变频。另一种频率合成方式是直接合成。理论上直接合成频率转换速度最快，输出相位噪声最低。一般采用分频、倍频、混频等算术方式实现频率合成，因而在工程上不易实现,特别是多点跳频时更不容易实现。

目前国内也有一些厂家采用频率直接合成方式进行产品的开发。有采用DDS直接合成的，也有采用传统方式合成的。DDS直接合成近端杂散难以控制，同时相噪好坏与A/D，D/A器件位数有关，有截短现象，相噪某种程度上有一定损失；另一方面A/D，D/A器件受时钟限制，难以实现宽带跳频。而传统分频、倍频、混频方式，电路复杂，需大量滤波器进行杂散抑制，通常采用微组装电路实现，成本高，体积大。

雷达接收机一般由接收通道、频率源、激励源、标定/BITE及电源组成。而频率源是联系各部分的核心和纽带；同时还提供雷达信号处理、监控等系统时钟。其性能、可靠性也自然成为衡量一部雷达好坏的重要依据。因此，接收机频率源一直成为各生产厂商研发的重点。接收机频率源的性能指标也在不断提高，特别是本振的相位噪声。相位噪声的大小与输出频率有关，按20logN变坏，N为倍频次数。以C波段雷达接收机一本振为例，其相位噪声已由原来的-107 dBc/Hz@ 1 kHz左右上升到-115 dBc/Hz@1 kHz左右，现在有的已达到-120 dBc/Hz@1 kHz以上，而频率源性能指标的改善得益于频率合成新技术及新器件的发展。

2 直接合成方法与工程实现

结合近年来国内外新技术、新器件，我们在某型气象雷达接收机频率源上采用直接合成方式实现了宽带、低相噪、低杂散设计。根据国内外新器件的筛选和分析，利用倒树状结构完成频率的倍频、分频；利用大规模集成电路的多通道、可编程性完成频率的多点跳频，这样我们就能够实现宽带多点跳频的直接合成，构建一个高性能、高可靠性的雷达接收机频率源。

ADI公司在前些年生产了系列高性能可编程时钟分配器：如AD9510和AD9516。片内集成有鉴相器、VCO、多通道可编程分频器、驱动器等。利用VCO、鉴相器、环路滤波器形成的锁相环产生一高频频率信号，再通过多通道可编程分频器获得所需的各种时钟频率，结构上犹如一倒树状。其片内自带的鉴相器、VCO性能并非最佳，我们以倍频振荡器取而代之，从而形成一个完整的倒数状直接合成频率体系。用它来构建一个间隔 10 MHz，带宽100 MHz的X波段频率源的框图如图1所示。

图1 直接合成X波段频率源框图

图1中，倍频振荡器模块内置100 MHz晶振，1.2 GHz和8 GHz信号均由其功分、倍频、放大、滤波产生。接收机频率源的二本振由倍频振荡器输出的1.2 GHz信号通过功分放大滤波直接得到。其他系统时钟、采样时钟则由输入的1.2 GHz信号通过AD9510、AD9516在线编程的方式分频获取，然后放大滤波就可以了，非常高效、便捷。

一本振跳频用AD9516的两个通道完成。一个通道产生混频的中频IF信号，另一个通道产生100 MHz或150 MHz的本振LO信号，通过混频、分段滤波产生60～160 MHz，每10 MHz一个点的11路跳频信号如表1所示。

表1 跳频点合成表

倍频振荡器模块内置一个恒温高稳定100 MHz晶体振荡器，80倍频后，产生一个8 GHz频标信号，用作一本振混频的本振LO信号。与AD9516合成的中频IF信号混频，产生X波段频率源一本振信号。

由此可见，该频率源的一本振是一个完全没有锁相环的宽带多点跳频直接合成本振。通过合理的变频窗口的设计，选择带外抑制性高的滤波器以及信号的分腔隔离、电源滤波等，在保证低相噪的同时，实现低杂散。

图2为频综模块实物加工图。

图2 频综模块实物加工图

3 直接合成频率源性能测试

我们对完成的X波段频率源进行了性能测试。从输出的各个本振、时钟信号来看，频谱纯度较高，杂散抑制均优于-65 dBc。

图3为完成的X波段频率源一本振实物性能测试结果。图3(a)为直接合成X波段频率源的一本振输出频率、输出功率和杂散抑制测试结果；图3(b)为直接合成X波段频率源的一本振相位噪声测试结果。从图中结果来看输出为:

(a) 输出频率、输出功率和杂散抑制测试结果

一本振频率：8.13 GHz；

功率：11.66 dBm；

杂散抑制：-71.99 dBc；

相位噪声：-119.21 dBc/Hz@1 kHz。

在参考晶振为100 MHz，相位噪声为-160 dBc/Hz@1 kHz，一本振频率在8 060～8 160 MHz条件下，按8 GHz估算，相位噪声恶化20logN，N为80，即变差38 dB左右。理论上一本振相位噪声应在-122 dBc/Hz@1 kHz附近，实测已达到 -119 dBc/Hz@1 kHz。接收机本振(特别是一本振)的相位噪声会直接影响激励输出的改善因子，从而影响到雷达探测目标的分辨能力。因而，一个低杂散、低相噪的纯净本振信号对一个好的频率源尤为重要。

4 本振相位噪声对激励输出改善因子的影响

图4为间接合成与直接合成激励信号脉内信噪比对比。从图中可以看出,图4(a)间接合成激励信号脉内的信噪比为68 dB，图4(b)直接合成激励信号脉内的信噪比为80.8 dB。按雷达激励输出改善因子公式计算：

(a) 间接合成频率源

I=S/N+10log(RBW)+10log(B×τ)-10log(F)

(1)

式中，S/N为信噪比，RBW为分辨率带宽，B为信号带宽，τ为脉冲宽度，F为重复频率。间接合成激励输出改善因子约为48 dB，直接合成激励输出改善因子约为60 dB。主要原因是间接合成一本振相位噪声在-105 dBc/Hz@1 kHz左右，而直接合成一本振相位噪声在-119 dBc/Hz@1 kHz上下。由此可见，直接合成激励输出改善因子优于间接合成激励输出改善因子12 dB左右。

长期以来，我们某型X波段雷达接收机激励输出改善因子都在50 dB左右，调制信号脉内信噪比不高。采用直接合成的频率源后，一本振信号的低杂散、低相噪，使得激励输出调制信号脉内信噪比显著提高[4]，改善因子达到60 dB左右，大大提高了雷达的整机性能。

5 直接合成X波段频率源特点

1) 简洁高效

传统的直接合成频率源电路结构复杂、体积庞大、链路隔离困难及杂散难以控制，电路功耗大，成本也高。而我们设计的X波段直接合成频率源从原理框图和实物图可以看出，结构非常简单，电路简洁高效。

2) 体积小、重量轻

频综模块尺寸为长210 mm、宽120 mm、高 40 mm，重量为1.86 kg，与间接合成雷达频率源的频综模块无论大小还是重量都相差无几。

3) 合成频率低杂散、低相噪、捷变频

我们为某型雷达研制的直接合成频率源，工作在X波段，带宽100 MHz，步进10 MHz。在整个带宽范围内，一本振杂散抑制≤-65 dBc，相位噪声≤-115 dBc/Hz@1 kHz。在使用相同晶振条件下，该指标明显优于间接合成频率源，对接收机性能指标的改善也尤为明显。特别是在频率转换上，由于摒弃了锁相环，变频时间大大缩短。由原来的10 μs左右提高到650 ns以下，可以实现捷变频[5]。这种技术在现代电子对抗中有着重要的作用。

4) 电路调试方便

在AD9510、AD9516的支撑下，所需频率(包括多时钟点频、跳频等)均可在线编程一次完成，多点跳频相位噪声一致性好。而间接合成主要采用锁相环来完成，其中相位噪声受鉴相器、VCO及环路带宽等限制。要获得低的相噪指标，不仅要掌握全面的锁相环理论知识，还要有较高的电路设计能力及丰富的调试经验，否则都难以达到理想的效果。

5) 电路稳定、可靠

频率的合成主要由大规模集成电路AD9510、AD9516完成，没有了倍频、分频、鉴相器、VCO等分离元件组成的电路，集成度大大提高。显然，电路集成度越高，故障率越低，稳定性、可靠性越高。

6 结束语

我们为某型雷达接收机设计的直接合成X波段频率源既有结构简单、低杂散、易于实现,又有低相噪、捷变频的特点，兼具直接合成和间接合成的优势。同时由于采用了大规模集成电路设计，大大提高了该频率源的可靠性和稳定性。随着这种频率直接合成技术的不断完善和发展，相信它会更多地应用于其他频率源的设计，满足更多的不同要求。