鲁长来，汪 炜(安徽四创电子股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

现代空管雷达系统需要具备对外部有源干扰在线侦察分析、发射频点灵活选择、捷变频工作、高杂波抑制等使用功能，这些体现在其对频率源性能上的要求就是相参本振信号低相噪、低杂散、密跳、快跳。在S波段空管雷达系统中，针对给定技术指标要求的S波段直接频率合成器来说，单从功能原理上考虑可以有无数种实现方案，最经典的方法[1]就是通过倍频、分频、混频产生若干个小步进低频标，通过梳状谱发生器产生若干大步进高频标，再分别经过开关滤波组件选频滤波后组合混频产生最终的跳频本振信号工作频率范围。然而从系统优化设计的角度出发，就会发现真正能让人满意的方案其实不多，因为设计一个具备较好工程化应用价值的频率合成器要涉及到诸如系统指标的符合性、实现原理的正确性、设备复杂程度、元器件选型的合适性、整机系统的可用性、用户可维修性、生产成本控制等很多方面因素。本方案设计的S波段直接频率合成器在充分保证技术指标实现的前提下，成功地把高速数字器件运用到电路设计上，同时优化频率合成窗口，最大限度地降低了合成器的设备量，并提升了该合成器被其他设备系统延伸应用的可扩展性。

1 技术指标

频率范围：2 090～2 290 MHz

跳频步进：1 MHz

输出功率：+11 dBm±1 dB

相位噪声：≤-120 dBc/Hz@1 kHz，≤-125 dBc/Hz@100 kHz，≤-130 dBc/Hz@1 MHz

杂散抑制：≥70 dB

跳频时间：≤2 μs

2 实现方案

图1给出了早期S波段空管雷达直接频率合成器的实现框图，它采用了谐波发生器结合三选一开关滤波电路实现S频标2 400 MHz、2 480 MHz、2 560 MHz的产生与频率选择，采用倍频、分频、混频并结合八选一开关滤波方法产生P频标270～340 MHz、步进10 MHz信号，然后通过S频标与P频标的混频滤波放大组合输出2 090～2 290 MHz、步进10 MHz的跳频本振信号。该方案在电路实现上较为复杂，设备量相对较大，输出信号的相噪指标、杂散抑制指标可以有效保证，但这种P频标产生方法很难实现1 MHz跳频步进的功能，而且为了降低体积重量采用的八选一声表开关滤波电路达到2 μs的跳变速度也很临界，同时S、P两级频标多频点交叉组合混频也带来合成输出信号功率平坦度调试困难。

图1 早期S波段空管雷达直接频率合成器

图2给出了本方案的S波段空管雷达直接频率合成器实现框图，采用高速直接数字合成(DDS)电路直接产生密跳P频标270～470 MHz、步进1 MHz信号，然后直接连接宽带P频标滤波器，无需设计专用的开关滤波电路，同时将晶振信号32倍频放大滤波获取S频标2 560 MHz的点频信号，该信号在功能上既作为频率搬移的高频频标，又作为高速DDS电路的工作时钟，为合成器的实现节约了电路硬件上不必要的消耗，最后通过S频标、P频标混频、宽带滤波放大输出2 090～2 290 MHz、步进1 MHz的跳频本振信号。现场可编程门阵列(FPGA)控制器在80 MHz时钟的驱动下实现对高速DDS电路的高速控制接口配置，确保在时序上不影响合成器频率切换速度要求。

图2 本方案S波段空管雷达直接频率合成器

3 性能分析

3.1 相噪性能

本案中合成器选用的参考源为80 MHz恒温晶振，其相噪指标为≤-155 dBc/Hz@1 kHz，≤-163 dBc/Hz@100 kHz，≤-168 dBc/Hz@1 MHz。综合32倍频器的理论相噪恶化程度及其附加噪声的贡献，S频标2 560 MHz信号的相噪可达到≤-123 dBc/Hz@1 kHz，≤-128 dBc/Hz@100 kHz，≤-134 dBc/Hz@1 MHz，以此对DDS输出信号的理论归一化得到理想的DDS输出相噪为≤-138 dBc/Hz@1 kHz，≤-143 dBc/Hz@100 kHz，≤-149 dBc/Hz@1 MHz，而DDS器件本身的残留相噪为≤-135 dBc/Hz@1 kHz，≤-150 dBc/Hz@100 kHz，≤-152 dBc/Hz@1 MHz，综合得到实际DDS输出信号的相噪应为≤-133 dBc/Hz@1 kHz，≤-142 dBc/Hz@100 kHz，≤-147 dBc/Hz@1 MHz。合成器最终输出信号2 090 MHz～2 290 MHz的相噪性能可以由式(1)估算[2]：

sφo=sφ1+sφ2

(1)

式中：sφo为混频输出信号相噪谱密度；sφ1为S频标信号相噪谱密度；sφ2为P频标信号相噪谱密度，混频输出信号的相噪和参与混频的2个输入信号各自的相噪水平紧密关联。

从前面的分析可知，P频标的相噪参数比S频标的相噪参数整体上优于7 dB以上，由式(1)推算可得最终输出相噪在S频标的基础上恶化不超过1 dB，基本达到≤-122 dBc/Hz@1 kHz，≤-127 dBc/Hz@100 kHz，≤-133 dBc/Hz@1 MHz，符合设计指标要求。

3.2 杂散抑制性能

直接频率合成器输出信号的杂散抑制需要在电路逐级进行控制，倍频电路的输出杂散分布位置相对固定，杂散电平也容易估算，设计上通过优化滤波器指标设计、倍频电路设计等手段完全可以实现高抑制度。混频电路输出的杂散信号在优化频率窗口设计后再结合电路线性特性设计、有针对性的滤波器拓扑也可以实现较好的抑制度性能。而DDS的输出杂散由于受到其相位截断、D/A非线性、幅度量化误差等因素的交叉影响造成杂散频谱分布较广而且复杂[3]，所以本方案中重点关注高速DDS电路输出的杂散分布及抑制情况。DDS因相位截断造成的输出杂散的频率和抑制度为[4]：

(2)

(3)

(4)

式中：RSC为杂散相对信号的抑制度；fc1和fc2为2个互为镜像的杂散频率点；P为相位截断后的位数；L为频率字去尾部零后的位数；K为频率字尾部去零后的十进制值；fs为DDS工作时钟频率。

本案中DDS位数为32位，最高输出频率470 MHz，以最多截断位数来评估，这里P=17,L=32，计算得到fc1=2 090.1 MHz，fc2=469.921 9 MHz，RRC=-102 dB。这与DDS的12位数/模(D/A)转换器量化误差和非线性误差带来的无杂散动态范围(SFDR)限制相比相位截断带来的杂散抑制限制基本可以忽略。通常DDS器件会给出精细的SFDR出厂指标测试参数供设计参考，本方案选择的DDS输出范围在270～470 MHz内，而实际DDS输出滤波器设计在35 dB抑制处矩形系数为1.7，该宽带范围内的输出信号SFDR指标达到75 dB，实际输出信号的窄带(1 MHz内)SFDR性能可达95 dB以上,完全满足合成器输出的杂散抑制要求。

3.3 跳频时间性能

直接频率合成器的跳频时间决定因素主要包括接口控制转换时间及合成器电路的响应时间，本案中接口控制转换时间受高速DDS的接口时间决定，电路上采用32位并行直接频率控制方式，并由80 MHz时钟驱动高速FPGA电路做数字译码、时序控制，单次频率切换所需的控制接口时间小于50 ns，而频率控制信息一旦到位，DDS器件内部的频率切换时间就很短了，约为10 ns以内。该合成器其他电路的响应时间决定于各级电路群延时特性的累积贡献，整体上可以控制在100 ns以内。所以整个合成器的跳频时间性能在满足小于2 μs的指标要求上余量较大。

3.4 功率起伏性能

从合成器的实现方案上可以看出，S频标是点频频标，不存在功率起伏问题，混频输出的2 090～2 290 MHz 信号由于相对带宽较窄(约10%)，也没有功率起伏指标限制问题，而高速DDS输出270～470 MHz 的信号相对带宽较宽(约60%)，功率起伏问题值得关注。从DDS电路自身的工作机理研究上可得出，DDS输出信号功率会出现因数模转换器(DAC)采样保持特性带来的幅度随着输出频率的增大而衰落的现象，主要呈现如下衰减规律：

(5)

式中：A为幅度衰减值；fs为DDS工作时钟频率；f0为DDS输出信号频率。

根据公式(5)计算得到在270～470 MHz输出信号范围内，P频标的幅度起伏不超过0.5 dB，基本不限制合成器输出的信号功率起伏。

4 研制结果

图3、图4、图5分别给出了本案中S波段直接频率合成器产品实物的输出信号相位噪声、杂散抑制、跳频时间指标测试结果，2 090～2 290 MHz频段内信号输出功率起伏为±0.7 dB左右。其中，为了便于快捷直观地测试信号在200 MHz跳频带宽上的跳频时间值，采用了图6的简易测试方法，利用通用示波器直接观测跳频信号自身延迟相关输出的电压脉冲上升沿或下降沿时间值，则：

(6)

式中：Δφ2为积分相噪；L(fm)为单边带相噪谱密度；fm为频偏；fm2为积分上限；fm1积分下限。

通过对相位噪声曲线进行分段近似做积分运算可以得出本振信噪比对雷达系统改善因子的限制优于65 dB。图7 给出了应用了该合成器的雷达系统激励信号改善因子测试图，通过式(7)计算：

(7)

图3 合成器输出信号相噪测试图

可得激励的改善因子值为61 dB(这里Bτ=1，fr=2 kHz)，比本振信号的信噪比指标差，因为激励信号改善因子值除了受到高频本振信号信噪比影响外，还会受到低频本振、波形产生等电路性能的影响。

图4 合成器输出信号杂散测试图

图5 合成器输出信号跳频时间测试图

图6 合成器输出信号跳频时间测试框图

图7 雷达系统激励信号改善因子测试图

5 结束语

虽然分频锁相合成器、混频锁相合成器、取样锁相合成器等间接频率合成方法已经发展和应用了很多年，但直接频率合成器技术和产品在目前的雷达系统应用中还是占据了相当重要的地位。得益于微波电路集成工艺及数字化器件技术的快速发展，直接频率合成器也从原先的复杂臃肿走向了轻便化，再结合其固有的快跳、低噪声性能，直接频率合成器会越来越受到工程师的青睐[5]。本方案设计的S波段空管雷达直接频率合成器实物已经完成样机研制、试验，并在某型空管雷达整机系统上成功应用，目前已经转入产品批产阶段。

[1] 费元春.微波固态频率源——理论、设计、应用[M].北京:国防工业出版社，1994.

[2] 白居宪.低噪声频率合成[M].西安：西安交通大学出版社，1994.

[3] GENTILE K.如何预测DDS相位截断杂散[EB/OL].[2017-09-10].http：//analog devices.

[4] 邓潘.DDS相位舍位杂散信号的频谱分析[J].雷达科学与技术,2009，7(2)：151-153.

[5] 柴文乾.一种小型化低相噪S波段直接频率合成器[J].雷达科学与技术,2005，3(5)：306-309.