X波段多功能频率合成器设计

摘要：文章介绍了一种X波段多功能频率合成器的设计方法，该方法以直接数字频率合成(DDFS)和直接式模拟合成技术为基础，通过优化频率规划和引入相位噪声清除技术，改善了频率合成器杂散和相位噪声性能。雷达激励器采用了“任意波形产生(AWG)+IO调制”结构，除产生雷达激励波形外，兼具回波模拟器功能，实现了一个硬件平台，两种功能的一体化设计，具有良好的工程应用价值。文章给出了原理框图，并对相位噪声、杂散等方面做重点的介绍和分析，文末给出了测试结果。

0 引言

频率合成器是通信、雷达、仪器仪表等电子系统的心脏，其好坏直接影响着电子系统的性能。随着电子技术的飞速发展，现代雷达对频率合成器的要求也越来越高，低相位噪声、低杂散、捷变频、小型化、模块化已成为雷达频率合成器的发展趋势。

传统的直接式频率合成利用倍频器、分频器和混频器对频率进行加减乘除运算，得到各种所需的频率，直接式频率合成器具有附加相位噪声低、捷变频等特点。通常，直接式频率合成器体积较大、成本较高，使得该技术的应用受到一定的限制，尤其在小频率步进的应用场合。本文通过在直接式频率合成中引入DDFS(直接数字频率合成)技术，通过直接式频率合成大带宽、大步进信号，通过DDFS合成小步进的频率信号，插入到直接式频率合成的大步进带宽内，从而实现大带宽、小步进的频率合成，有效缓减直接式频率合成器体积大、成本高的缺点。

本文所介绍的频率合成器，采用了激励器和目标模拟器一体化的设计思路，文章通过分析雷达回波信号和雷达激励信号的差异，设计了一种以“AWG+IO调制”为基础的通用化的电路结构，该结构既能完成雷达激励波形产生，也可模拟雷达的各种回波信号。由于激励器和模拟器采用同一套电路结构，使激励器和模拟器一体化设计成为可能。本方案与分离的频率合成器模拟器相比，设备量更小、性价比高，具有很好的工程应用前景。

1 方案设计

1.1 激励器和模拟器的一体化设计

根据文献，雷达回波信号可以表述为：

从上式可以看出，雷达激励信号可以看作雷达回波信号的一种特例，当回波信号多普勒频率为零，

距离为某一定值，且位于天线波束宽度内时，回波信号与激励信号仅存在一个幅度上差别，这也是本文模拟器激励器一体化设计的依据。

雷达模拟器主要完成雷达波形与距离、多普勒频率、天线方向图的调制，由于雷达波形采用了基于DDWS(直接数字波形合成)的任意波形产生技术，所有雷达激励波形的采样信息存储在波形存储器中，通过寻址不同的存储空间，并将存储数据送入到数模转换器(DAC)，从而完成雷达激励波形的重构。多普勒调制采用了文献的数字IQ调制器技术实现，如图1中的多普勒调制部分。在本频率合成器设计中，频率合成器实时接收雷达天线方位、俯仰角，解算出天线指向角与目标问的角误差，并对和差通道进行方向图的幅度相位调制，当天线指向角与航迹角相等时，角误差为0，雷达精确地跟踪上目标;当角误差超过雷达的波束宽度，判为目标丢失，关闭信号输出，直至雷达重新截获目标。完整中频回波模拟(激励器)信号流程如图1所示(仅和差三通道中的一路)。

1.2 方案设计

X波段频率合成器原理框图如图2所示，该合成器由9个模块组成，其中基准源和二本组件采用间接式频率合成技术，通过取样锁相技术将960MHz声表面波振荡器和1600MHz同轴介质振荡器分别锁定在80MHz晶体振荡器的12次和20次谐波上，附加相位噪声低。960MHz经二分频和四分频后得到480MHz和240MHz，分别用作任意波形发生器和频标组件的时钟(或基准)信号。频标组件由梳谱发生器和开关滤波组件组成，用于产生步进为240MHz、带宽960MHz的频标信号。DDFS选用ADI公司的DDS芯片AD9910为主芯片进行设计，为实现240MHz带宽内无缝的频率覆盖，DDFS先倍频后，再经由开关滤波后输出，二者混频滤波后产生捷变频的一本振信号。任意波形发生器用于产生中心频率为120MHz的中频激励波形，该信号与二本振、一本振通过二次变频后产生最终的激励信号，该信号耦合出一路信号，送入模拟器组件。模拟器组件主要功能是模拟三通道和差波束特性，其中距离衰减模拟采用衰减器实现，角度模拟采用高精度数控衰减器和移相器来实现。

2 性能分析

2.1 相位噪声

本频率合成器中近区相位噪声主要由晶体振荡器、倍频器及谐波发生器的剩余相位噪声决定，理论上，倍频器及谐波发生器对输入信号的相位噪声有20logN的恶化，而分频器对输入信号有20logN的改善作用，N为倍频或分频次数。本频率合成器选用的80MHz晶体振荡器相位噪声为-1 60dBc/Hz@1kHz，如图2所示，X波段一本振由频标组件和DDFS混频产生，频标组件以10GHz输出为例，相对于80MHz而言，其等效的倍频次数为125，则频标组件输出的相位噪声理论上为：

-1 60dBc/Hz@1kHz+20log 125=-11 8dBc/Hz@1kHz

960MHz时钟信号相噪为：

-160dBc/Hz@1kHz+20log12=-1 38dBc/Hz@1kHz

理论上，DDS可以看作一个小数分频器，DDS输出对输入信号有20logN的改善作用。根据AD9910数据手册，AD9910本底相位噪声较高，960MHz时钟信号的相位噪声性能远低于AD9910的本底相位噪声性能，所以DDFS输出的相位噪声将由AD9910决定。本方案中DDFS最高工作频率为300MHz左右，根据数据手册估算，其相噪指标约为-1 29dBc/Hz@1kHz，经倍频后噪声恶化为：

-1 29dBc/Hz@1kHz+20log2=-1 23dBc/Hz@1kHz

则频标组件和DDFS合成的相位噪声为114dBc/Hz@1kHz，考虑到工程上3～5dB的裕量，X波段频率合成器最终的相位噪声将达到-109dBc /Hz@1kHz。

2.2 杂散

通过频率规划，寻找最优的寄生响应窗口，从而减轻混频后滤波设计的压力。将本频率合成器模型代入ADS分析，一本振信号在8～12 GHz范围内杂散分布及相对电平如表1所示。

上述杂散信号均在信号带宽外，除6*IF与本振信号较近外，其余杂散信号与本振(即频标输出)在频谱上均拉开了一段距离，通过后置的高性能“硅腔滤波器+低通滤波器”组合，可以将一本振杂散抑制到-90dBc的水平。由于6*IF与一本振信号较近，抑制能力有限，6*IF仍维持在-88dBc的水平，考虑到后置的功率放大器处于饱和状态，以及电路及腔体隔离度的影响，最终的杂散抑制大约为-75dBc左右。

3 研制结果

本频率合成器采用了双面分腔结构，铝合金材料制造，外形尺寸为245×200×33(mm)，重量约为2.6kg。其相位噪声、杂散测试结果如图3、图4所示。测试结果， 其相位噪声达到了一108dBc/Hz@1kHz，杂散电平在4GHz带宽内优于一70dBc，与设计吻合较好。

4 结束语

本文介绍了一种X波段多功能频率合成器(激励器)的设计方法，通过采用“DDFS+直接式”合成本振信号，采用“AWG+正交调制”形成激励和雷达回波信号，同时实现了本振信号、激励器、模拟器三者的一体化设计;本频率合成器兼具直接式数字频率合成、直接式模拟合成的优点，良好的波形和频率扩展能力，是一种较为理想的频率合成器方案，为频率合成器的标准化、模块化提供了一种有效的技术途径。