某米波雷达频率综合器的设计与实现

摘要：介绍了基于DDS的米波段频率综合器的工作原理，给出了设计方案，并针对DDS固有高阶交调杂散采用了双路参考信号的设计，得到了良好的实验结果。
关键词：DDS固有高阶交调杂散；双路参考信号；低相噪低杂散

    近年来米波雷达是重点发展方向之一，受到普遍重视，世界各国把发展米波雷达放到雷达探测系统的重要位置。尽管米波雷达作用距离远、成本低，并且具有较好的反隐身和抗反辐射导弹的能力，随着雷达和无线电技术的发展，对频率资源的开发利用的更加深入，扩展雷达所面临的电磁环境也越来越复杂。针对以上现状，雷达需要从严重的杂波环境中分辨目标，要求其频综具有低相噪、低杂散的特性，以提高雷达的改善因子。本文采用基于FPGA+DDS的控制及双路参考信号的设计，对该米波雷达频综进行了低杂散、低相噪的设计。测试结果表明，本系统可有效规避DDS同有杂散，达到系统设计要求。

1 频综系统实现方案设计
1．1 系统指标要求
    该频综工作在P波段：相位噪声(点频连续波测试)：≤-130dBc／Hz(偏离载频1kHz处)；输出信号杂散：≤-60dBc；频率间隔：10kHz。
1．2 系统方案选择
    根据该频综频率低、频率间隔小、点数多、跳频时间比较短的特点，结合现有频率综合器频率合成方法，经过详细对比，本文选择基于DDS的直接式频率合成方案，该方案成本低、技术成熟、系统灵活可靠。
1．3 基于DDS的米波频综系统设计
    方案系统框图如图1所示。

    本系统中选用的DDS为AD公司的AD9910。该器件主要特点如下：1GSPS的内部时钟速率和高达400MHz的模拟输出信号；内置1CSPS、14位DAC；在1GPSP采样速率下，频率分辨率为0．23Hz；载频为400MHz时，相位噪声≤-125dBC／Hz@1kHz；无杂散动态范围(SFDR)高达80 dB以上；内部采用1．8 V和3．3V供电，超低功耗；支持四种工作模式：单频调制模式、RAM调制模式、数控数字斜坡调制模式和并行数据端口调制模式；内置的高速并行数据输入端口能实现直接频率、相位、振幅或极化调制，以支持更高级的调制功能。
    参考信号产生模块产生相参考信号和时钟信号供给雷达总站使用，同时该模块还产生射频信号产生模块所需的双路参考信号与第二本振信号；射频模块将来自参考模块的参考信号进行频率合成，产生雷达总站需要的第一本振信号及激励信号。
    晶振产生的基准信号经过四功分后，第一路信号滤波、隔离直接产生系统需要的相参信号；第二路信号经滤波、隔离作为DDS的输入时钟信号。时钟信号及第二本振信号均南DDS产生；第三路、第四路信号经一系列滤波放大后，产生射频信号产生模块需要的双路参考信号。
    参考信号产生模块产生的参考信号fref进入射频信号产生模块中的功分器功分为：fref和fref1。其中fref进入发射单元的DDS进行频率变换，经过放大滤波后再进入三选一开关滤波组件即可得到本振信号fc；fref1经过隔离后，与DDS的第二路参考信号fref2进入二选一开关；根据对DDS固有杂散进行分析后得到的计算结果，在输出某几段频率时，由控制信号切换输入参考信号频率，同时对DDS进行复位，读取预存在FPGA地址中的另一组程序；信号进入三选一开关滤波组件后冉经过放大滤波即可得到第一本振信号flo。以上工作模式，可有效抑制DDS
由于输入信号频率固定而产生较大的高阶交调杂散。

2 指标分析
2．1 杂散分析
    近端杂散产生的来源主要来自于以下2个方面：晶振自身的杂波及电源带来的各种干扰。根据以往设计的经验，选择杂散指标高的晶振，并对每个模块做合理的电源滤波，近端杂散能够满足上述指标。
    远端杂散的来源主要由于倍频、DDS固有杂散及信号通道之间的串扰造成，因此要实现频率综合器的低杂散，必须在方案设计过程中选择合适的滤波器，合理分配滤波器指标，认真进行DDS固有杂散设计分析。在工程设计时，对信号通道之间的隔离、信号反串等的抑制重点考虑，电磁兼容方面合理没计电源滤波、接地、屏蔽和电缆的选择与布线。
2．2 相噪分析
    输入DDS的参考信号是由晶振经N次倍频得到的倍频数最高为10次，考虑附加损失5dB，其相噪为：-155+20lg10+附加5dB=-130dBc／Hz@ 1kHz；查AD9910参考手册可知在PLL禁用的情况下1GHz工作频率下输出P波段信号时相噪为：-140dBc／Hz@1kHz；考虑DDS内部不使用PLL环时可以对输出信号的相噪进行改善，则可推出该参考信号输入DDS时，输出的P波段信号相噪应小于-145dBc／Hz@1kHz；

3 测试结果
    图2为采用安捷伦E4447A频谱仪测试DDS输入参考信号fref1时DDS的频谱曲线。

    图3为采用安捷伦E4447A频谱仪测试DDS输入参考信号fref2时DDS的频谱曲线。

    图4为采用安捷伦E5052B信号源分析仪测试该频综输出发射激励信号的相噪曲线。

4 结束语
    该雷达频率综合器主要特点是低相噪、低杂散。DDS技术中其输出频谱杂散较大的原因是固有的缺陷，良好的杂散抑制方法对设计性能的直接数字频率综合器有重要意义。本文从工程的角度出发对基于DDS的直接式频综进行了双通道参考信号的设计，对于规避高阶交互调杂散具有明显效果。所取得的数据、经验对今后的工程设计具有一定的指导意义。