引言

隨著數字信號處理和集成電路技術的發展，直接數字頻率合成（DDS）技術的應用也越來越廣泛。DDS具有相位和頻率分辨率高、穩定度好、頻率轉換時間短、輸出相位連續、可以實現多種數字與模擬調制的優點。本文設計出一種基于DDS的寬帶雷達頻率合成器，具有分辨率高、頻率帶寬極寬、頻率轉換時間短等特點并且符合要求的雜波與相位指標。

1 寬帶頻率合成器的設計

根據某課題提出的寬帶雷達信號源的設計要求，綜合當代雷達發展的需求，提出如下設計指標：

1） 頻率范圍： 2~ 8 GHz;

2） 頻率分辨率： 100 kHz;

3） 輸出雜波抑制： ??40 dB;

4） 相位噪聲： - 70 dBc/ Hz@1 kHz;- 75 dBc/ Hz@10 kHz;- 80 dBc/ Hz@100 kH z;

根據上述指標設計出寬帶頻率合成器的方案如圖1所示。

圖1寬帶頻率合成器設計框圖

本設計用于實現寬帶雷達信號頻率的合成，根據所提出的設計指標及要求，本方案采用DDS芯片AD9910,鏡像抑制混頻器HMC520IR和混頻器HMC553對硬件電路進行了設計。

1.1 AD9910性能特點

該芯片是ADI公司生產的性能很好的直接數字頻率合成芯片，內置14位數字模擬轉換器，支持高達1GSPS采樣速率，AD9910的1GSPS工作速度和14位數字模擬轉換器的組合允許通信、國防和儀器儀表系統工程師提高輸出頻率高達400MHz的動態性能。AD9910采用高級DDS專利技術，在不犧牲性能的前提下可極大地降低功耗，該芯片的功耗比現有解決方案相減小70%,在全工作速度條件下功耗僅700mW。AD9910數字頻率合成器具有一個更新速率達250MHz的16bit并行端口，它允許設計工程師每隔8ns更新一次32bit的頻率控制字。

AD9910將14位數字模擬轉換的分辨率和1GSPS時鐘速度轉化為提高所有這些應用中的SFDR和相位噪聲性能。

由于AD9910有高達400MHz的模擬輸出、低功耗、好的雜波抑制性能和低的相位噪聲，設計中采用AD9910作為任意信號發生器。

1.2 頻率合成器方案設計原理

本設計采用DDS+單邊調制+混頻的方案，由2個DDS組成任意信號發生器，給單邊帶調制器提供帶寬為BWdds的各種正交信號頻率為fdds、去調制頻率為fref1的鎖相本振，得到頻率為fRF的單邊帶調制信號：

式中：BWdds=400MHz,fref1=9GHz,因此得到的fRF的范圍為：

由式（2）可看出得出的調制信號覆蓋率相當于800MHz的瞬時帶寬。

得到的單邊帶調制信號需要經過下變頻才能形成指標中所要求的2~8GHz的工作頻段。頻率為fref2、fref3和fref4的鎖相本振源經過開關的切換與頻率為fRF的單邊帶調制信號進行二次混頻，得到的中頻信號頻率為fIF:

式中：fref2=11.4GHz,fref3=12.4GHz,fref4=13.4GHz,結合式（2）和式（3）可得：

得到的中頻信號經開關切換去倍頻，得到頻率為fout2的信號，由于有開關控制，倍頻所得信號所覆蓋的頻率范圍為：

在2~8GHz整個頻段上，2~4.8GHz是直接混頻濾波輸出，4.3~8GHz是倍頻輸出，中間交疊了500MHz,這樣就可以在任何頻點上滿足500MHz瞬時帶寬的連續。

4.3~8GHz頻率信號由倍頻獲得，開關的切換時間小于20ns,因而可以滿足2~8GHz全頻段頻率捷變的要求。

1.3 電路板總體設計

在寬帶頻率合成器系統中既有數字電路又有射頻模擬電路，所以電磁兼容性是電路板設計中著重考慮的問題：

1）按照電路類型劃分為電源、數字、模擬等區域，減少相互干擾；

2）元件采用表貼件，盡可能緊湊，減小分布參數的影響；

3）采用多層板，中間設屏蔽層，盡量減少過孔帶來的寄生電抗；

4）盡量走直線和圓弧線，減少線間相互耦合；

5）添加網格敷銅并保證接地良好；

6）晶體要做好屏蔽，減少對周圍器件的干擾。

2 性能分析

2.1雜波指標估計

寬帶雷達頻率合成器由DDS、鏡相抑制混頻器、混頻器、鎖相本振、倍頻器、濾波器等構成，雜波信號指標均取決于這些器件的信號輸出。

DDS輸出信號的雜波電平小于-50dBc,鎖相本振的雜波都遠離本振頻率，可以濾掉，影響這一指標最主要的因素是混頻器的輸出。在混頻器輸出信號中，凡是不希望要的諧波、載波、鏡相、邊帶等都屬于雜波相關的指標。

單邊帶調制器選用美國Hittite公司的鏡相抑制混頻器HMC520IR,圖2、圖3和圖4為所選器件的邊帶抑制、鏡相抑制、載波隔離曲線圖。從這幾條曲線可以看到，在9GHz附近，邊帶抑制、鏡相抑制和載波隔離都要大于40dB,調制信號因遠在帶外，可以不考慮。

圖2 HMC520 IR混頻器邊帶抑制曲線

圖3 HMC520 IR混頻器鏡相抑制曲線

圖4 HMC520 IR混頻器載波抑制曲線

在取中頻的混頻器輸出中，Lo和RF信號都遠離IF,即使漏過來也可以濾掉，只有多次諧波的混頻輸出有可能落入帶內。所選混頻器型號為HMC553,其多次諧波輸出情況如圖5所示。有可能落入帶內的只有2×2次諧波混頻輸出，從圖5可知，其相對于中頻輸出的功率電平值是-62dBc,因此不影響雜波指標。由此判斷，該方案對滿足雜波抑制≥40dB的指標是可行的。

圖5HMC553混頻器M×N次諧波輸出

2.2 相位噪聲指標估計

已選DDS的相噪指標為：輸出為400MHz時，-125dBc/Hz@1kHzOffset,已選鑒頻鑒相器的相噪指標與DDS輸出信號的相噪指標相當，當100MHz參考頻率時，能實現的最好相噪指標是-153dBc/Hz@10kHzOffset;已選晶振的相噪指標優于-152dBc/Hz@1kHzOffset;因為所有本振都為分頻鎖相，最大分頻比是130,相噪指標要惡化：

20log（130）≈42dB

減去42dB,本振輸出信號的相噪還有110dB左右；這樣，即使后面還有一次2倍頻，惡化6dB,雷達頻綜電路對實現最終輸出信號的相噪指標還是可行的。

3 測試結果

根據以上的設計方案，現已研制出樣機。經Agilent公司的頻譜儀E4407B測試，得知該頻率合成器的性能參數主要有：

輸出頻率范圍：2~8GHz.

相位噪聲：≦-75dBc/Hz@10kHz.

分辨率：100kHz.

由圖6與圖7可知，實際輸出頻率可以達到指標要求；由圖8可知，當在偏離載頻10kHz處，相位噪聲可達-79.29dBc/Hz,證明該頻率合成器設計是正確合理的。

4 結束語

本文采用ADI公司的AD9910設計了寬帶頻率合成器，利用DDS保證高的頻率分辨率，又保證了整個頻率合成器的雜波抑制和相位噪聲。經測試表明，該頻率合成器能產生低相噪、高分辨率、高穩定度的寬帶信號，是一種實用的頻率合成器，具有較好的工程應用價值。目前，該頻率合成器已經成功地應用在寬帶雷達信號源中，并且可以很好的滿足信號源的要求。