低相噪基準(zhǔn)信號(hào)模塊設(shè)計(jì)

王新浪

低相噪基準(zhǔn)信號(hào)模塊設(shè)計(jì)

王新浪

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

針對(duì)一種應(yīng)用于跟蹤雷達(dá)的基準(zhǔn)信號(hào)模塊低相噪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，進(jìn)行了設(shè)計(jì)、分析與計(jì)算，給出了分析思路以及實(shí)物測(cè)試結(jié)果。經(jīng)測(cè)試，模塊輸出信號(hào)4.2 GHz的相位噪聲為-128.6 dBc/Hz@1 kHz，12.9 GHz的相位噪聲為-121.6 dBc/Hz@1 kHz，目前，該模塊已在跟蹤雷達(dá)中得到了良好的應(yīng)用。

雷達(dá)；低相噪；基準(zhǔn)信號(hào)

0 引言

隨著反艦導(dǎo)彈突防速度越來越快，隱身能力與機(jī)動(dòng)飛行能力越來越強(qiáng)，反艦導(dǎo)彈已成為海上水面艦艇安全的主要威脅之一。艦載跟蹤雷達(dá)的主要任務(wù)是跟蹤高超音速導(dǎo)彈、飛機(jī)等目標(biāo)，在近距離引導(dǎo)火炮摧毀目標(biāo)，能有效彌補(bǔ)導(dǎo)彈等防空武器系統(tǒng)的探測(cè)盲區(qū)，是水面艦艇防空探測(cè)體系的重要組成部分。低相噪基準(zhǔn)信號(hào)模塊是艦載跟蹤雷達(dá)的重要部件之一，對(duì)雷達(dá)改善因子、寬頻帶抗干擾等有重要影響。寬頻帶、低相位噪聲、低雜散和較高的頻率穩(wěn)定度是低相噪基準(zhǔn)信號(hào)模塊的主要技術(shù)指標(biāo)，是影響雷達(dá)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。

1 跟蹤雷達(dá)基準(zhǔn)信號(hào)模塊

跟蹤雷達(dá)為了提取強(qiáng)海雜波背景的微弱目標(biāo)信號(hào)，提高作用距離、距離分辨率和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，采用了脈沖壓縮和相干積累，多普勒濾波和兩次變頻超外差接收實(shí)現(xiàn)全相參；同時(shí)采用了寬帶捷變頻以提高在復(fù)雜電磁環(huán)境下的適應(yīng)能力。針對(duì)強(qiáng)海雜波背景低空3Ma（Mach，馬赫）目標(biāo)威脅，跟蹤雷達(dá)要求基準(zhǔn)信號(hào)模塊具有寬頻帶、低相位噪聲、低雜散和較高的頻率穩(wěn)定度等，具體指標(biāo)要求如下：

1）300 MHz梳譜信號(hào)：（1路）

覆蓋頻段：波段

單邊相位噪聲：≤-117 dBc/Hz@1 kHz

≤-125 dBc/Hz@10 kHz

≤-130 dBc/Hz@100 kHz

雜散：≤-78 dB

2）100 MHz梳譜信號(hào)：（1路）

覆蓋頻段：波段

單邊相位噪聲：≤-122 dBc/Hz@1 kHz

≤-130 dBc/Hz@10 kHz

≤-135 dBc/Hz@100 kHz

雜散：≤-78 dB

3）頻率穩(wěn)定度：1×10-6

相參基準(zhǔn)信號(hào)：100 MHz（2路，5±1 dBm）

定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)：20 MHz（2路，5±1 dBm）

2 低相噪基準(zhǔn)信號(hào)模塊分析與設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)波段、波段的超寬頻帶頻率擴(kuò)展，以及低相噪、低雜散、寬帶頻率捷變的性能要求，采用低相噪倍頻技術(shù)是最優(yōu)選擇，選用低相噪晶體振蕩器、低附加噪聲放大器、橋式倍頻器、低附加噪聲梳狀譜發(fā)生器、高抑制濾波器等，實(shí)現(xiàn)了低相噪、低雜散頻率擴(kuò)展，為實(shí)現(xiàn)頻率合成器的寬帶發(fā)射激勵(lì)信號(hào)、寬帶接收第一本振信號(hào)、接收第二本振信號(hào)、相參基準(zhǔn)信號(hào)及定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)的低相噪、低雜散奠定了基礎(chǔ)。

2.1 方案概述

基準(zhǔn)信號(hào)模塊內(nèi)置低相噪晶振，使用外部直流穩(wěn)壓電源，產(chǎn)生一路波段梳狀譜信號(hào)、一路波段梳狀譜信號(hào)、兩路相參基準(zhǔn)信號(hào)、兩路定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)。方案采用100 MHz晶體振蕩器作為頻率基準(zhǔn)，經(jīng)功分為五路，五路100 MHz信號(hào)分別經(jīng)低附加噪聲放大后，其中一路經(jīng)低次三倍頻后放大推動(dòng)梳狀譜發(fā)生器產(chǎn)生波段寬帶多點(diǎn)頻第一本振信號(hào)，一路經(jīng)放大推動(dòng)梳狀譜發(fā)生器產(chǎn)生波段點(diǎn)頻第二本振信，一路經(jīng)分頻、濾波放大產(chǎn)生兩路定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)，兩路直接輸出為相參基準(zhǔn)信號(hào)?；鶞?zhǔn)信號(hào)模塊原理框圖如圖1所示。

圖1 低相噪基準(zhǔn)信號(hào)模塊原理框圖

2.2 相位噪聲分析

本振、發(fā)射信號(hào)泄漏以及接收信號(hào)的相位噪聲通過混頻器的非線性作用轉(zhuǎn)移到中頻，將導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)的相位噪聲性能惡化。為降低接收機(jī)中頻的相位噪聲，通常的方式是對(duì)本振和接收到的射頻信號(hào)提出更為嚴(yán)格的相位噪聲要求。因此，跟蹤雷達(dá)采用相參的兩級(jí)本振、射頻信號(hào)和基帶信號(hào)，使得各信號(hào)的相位噪聲具有一定的相關(guān)性，通過接收機(jī)兩次下變頻后，中頻近端載波相位噪聲將大幅度降低。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)保持本振、射頻、參考信號(hào)以及時(shí)鐘基準(zhǔn)等的相參和低相噪特性。

1）模塊主要器件附加相噪關(guān)系

分頻定理公式表示為：

晶體振蕩器、放大器、濾波器、倍頻器等器件的附加相位噪聲不盡相同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求以及鏈路前后級(jí)制約關(guān)系，進(jìn)行鏈路相位噪聲的匹配。模塊各主要器件附加相位噪聲值如表1所示。

表1 模塊主要器件附加相位噪聲

由表1可知，模塊鏈路相位噪聲分配較為合理。

2）晶振的相位噪聲

晶振是頻率合成的源頭，也是低相噪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，依據(jù)指標(biāo)要求，按照式（2）進(jìn)行估算，晶振的相位噪聲應(yīng)優(yōu)于-162 dBc/Hz@1 kHz，另外需預(yù)留失配等3 dB以上的相位噪聲損失。本文選用低相噪恒溫晶體振蕩器，其單邊相位噪聲為 -166 dBc/Hz@1 kHz，毫秒級(jí)頻率穩(wěn)定度1×10-11，寬溫頻率穩(wěn)定度1×10-7。

3）放大器的相位噪聲

4）三倍頻器的相位噪聲

5）梳狀譜發(fā)生器的相位噪聲

梳狀譜發(fā)生器多以階躍恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)，輸出是一系列與輸入頻率相同的窄脈沖，在窄脈沖中包含著極其豐富的諧波成分。本文梳狀譜發(fā)生器的電路原理框圖如圖2所示。

圖2 梳狀譜發(fā)生器原理框圖

通過匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試，可減小輸入駐波，獲得最佳匹配。通過仿真，100 MHz梳狀譜發(fā)生器輸出功率為-9.1 dBm@4.2 GHz，300 MHz梳狀譜發(fā)生器輸出功率為-12.2 dBm@13.2 GHz，效率較高。 300 MHz梳狀譜輸出功率仿真如圖3所示。

圖3 300 MHz梳狀譜發(fā)生器輸出功率仿真圖

6）分頻器的相位噪聲

分頻器理想工作時(shí)相噪優(yōu)化按式（3）進(jìn)行，實(shí)際分頻器存在附加相位噪聲，導(dǎo)致相噪的降低可能達(dá)不到式（3）計(jì)算值。本文分頻器將100 MHz信號(hào)分頻為定時(shí)基準(zhǔn)20 MHz信號(hào)，選用的分頻器相位噪聲為-142 dBc/Hz@1 kHz，較輸入100 MHz的相位噪聲相差較大，因此定時(shí)基準(zhǔn)20 MHz輸出相位噪聲主要取決于分頻器。

7）電源紋波對(duì)相位噪聲影響

8）低雜散設(shè)計(jì)對(duì)相位噪聲的影響

對(duì)于信號(hào)頻率種類較多、指標(biāo)要求高、集成化程度高的模塊，易出現(xiàn)相位噪聲正常而雜散異常，或者雜散正常而相位噪聲異常的情況，因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)統(tǒng)籌考慮相位噪聲和雜散要求，主要應(yīng)考慮混頻比、濾波、隔離、電磁兼容、級(jí)間匹配等。模塊所用倍頻器、梳狀譜發(fā)生器及分頻器輸出均包含豐富的頻率分量，使用帶通濾波器選擇出所用信號(hào)，抑制無用信號(hào)。帶通濾波器對(duì)通帶內(nèi)信號(hào)匹配，對(duì)帶外信號(hào)的反射較大，需要在濾波器與其前后級(jí)電路之間加隔離措施，改善器件間的匹配，通常加衰減器或隔離器進(jìn)行匹配。對(duì)于模塊內(nèi)部各通道間的信號(hào)耦合及反向信號(hào)通道，通常采用合理進(jìn)行頻率布局、腔體隔離、濾波、隔離器、定向耦合器及衰減再放大等措施提高通道隔離。為提高電磁兼容性能，通常采用加強(qiáng)濾波、接地、合理布線、屏蔽或者用吸波材料降低空間干擾以降低雜散。

3 主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試

本文選用的100 MHz晶振相位噪聲實(shí)測(cè)值達(dá)-166 dBc/Hz@1 kHz，使參考源頭的相位噪聲進(jìn)一步降低；精心設(shè)計(jì)功率放大器和梳狀譜產(chǎn)生器，實(shí)測(cè)電路中放大器對(duì)晶振100 MHz信號(hào)放大后輸出相位噪聲的-164.7 dBc/Hz@1 kHz。

經(jīng)測(cè)試，基準(zhǔn)信號(hào)模塊100 MHz梳狀譜發(fā)生器在4.2 GHz處相位噪聲為-128.6 dBc/Hz@1 kHz，雜散優(yōu)于-80 dB；300 MHz梳狀譜發(fā)生器在12.9 GHz處相位噪聲為-121.6 dBc/Hz@1 kHz，雜散優(yōu)于 -80 dB；兩路相參基準(zhǔn)100 MHz信號(hào)輸出功率 5.5 dBm、5.2 dBm；兩路定時(shí)基準(zhǔn)20 MHz信號(hào)輸出功率5.6 dBm、5.0 dBm。波段梳狀譜發(fā)生器在4.2 GHz相位噪聲測(cè)試結(jié)果如圖4所示，波段梳狀譜發(fā)生器在12.9 GHz相位噪聲測(cè)試如圖5所示。

圖4 S波段梳狀信號(hào)相噪測(cè)試圖

圖5 X波段梳狀信號(hào)相噪測(cè)試圖

4 結(jié)論

本文對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)模塊低相噪設(shè)計(jì)的主要影響因素進(jìn)行了分析、論述。該基準(zhǔn)信號(hào)模塊在應(yīng)用頻段內(nèi)性能良好，能很好地滿足工程需求，具有良好的應(yīng)用前景。

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Design of Low Phase Noise Reference Signal Generation Module

WANG Xinlang

A design of low phase noise reference signal generation module is introduced in the paper. Through the design and analysis of the circuit, the corresponding analytical method and test results for actual object are given. The test results show that the phase noise is -128.6 dBc/Hz@1 kHz at 4.2 GHz and -121.6 dBc/Hz@1 kHz at 12.9 GHz. All indicators meet the requirements well. As far as the situation is concerned, the module has been well applied to the radar.

Radar; Low Phase Noise; Reference Signal

TN957

A

1674-7976-(2022)-01-075-04

2021-12-20。

王新浪（1978.12—），陜西咸陽(yáng)人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)頻率合成器及接收機(jī)。