低相噪基准信号模块设计

王新浪

低相噪基准信号模块设计

王新浪

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

针对一种应用于跟踪雷达的基准信号模块低相噪设计的关键因素，进行了设计、分析与计算，给出了分析思路以及实物测试结果。经测试，模块输出信号4.2 GHz的相位噪声为-128.6 dBc/Hz@1 kHz，12.9 GHz的相位噪声为-121.6 dBc/Hz@1 kHz，目前，该模块已在跟踪雷达中得到了良好的应用。

雷达；低相噪；基准信号

0 引言

随着反舰导弹突防速度越来越快，隐身能力与机动飞行能力越来越强，反舰导弹已成为海上水面舰艇安全的主要威胁之一。舰载跟踪雷达的主要任务是跟踪高超音速导弹、飞机等目标，在近距离引导火炮摧毁目标，能有效弥补导弹等防空武器系统的探测盲区，是水面舰艇防空探测体系的重要组成部分。低相噪基准信号模块是舰载跟踪雷达的重要部件之一，对雷达改善因子、宽频带抗干扰等有重要影响。宽频带、低相位噪声、低杂散和较高的频率稳定度是低相噪基准信号模块的主要技术指标，是影响雷达系统性能的关键因素之一。

1 跟踪雷达基准信号模块

跟踪雷达为了提取强海杂波背景的微弱目标信号，提高作用距离、距离分辨率和动目标检测，采用了脉冲压缩和相干积累，多普勒滤波和两次变频超外差接收实现全相参；同时采用了宽带捷变频以提高在复杂电磁环境下的适应能力。针对强海杂波背景低空3Ma（Mach，马赫）目标威胁，跟踪雷达要求基准信号模块具有宽频带、低相位噪声、低杂散和较高的频率稳定度等，具体指标要求如下：

1）300 MHz梳谱信号：（1路）

覆盖频段：波段

单边相位噪声：≤-117 dBc/Hz@1 kHz

≤-125 dBc/Hz@10 kHz

≤-130 dBc/Hz@100 kHz

杂散：≤-78 dB

2）100 MHz梳谱信号：（1路）

覆盖频段：波段

单边相位噪声：≤-122 dBc/Hz@1 kHz

≤-130 dBc/Hz@10 kHz

≤-135 dBc/Hz@100 kHz

杂散：≤-78 dB

3）频率稳定度：1×10-6

相参基准信号：100 MHz（2路，5±1 dBm）

定时基准信号：20 MHz（2路，5±1 dBm）

2 低相噪基准信号模块分析与设计

为了实现波段、波段的超宽频带频率扩展，以及低相噪、低杂散、宽带频率捷变的性能要求，采用低相噪倍频技术是最优选择，选用低相噪晶体振荡器、低附加噪声放大器、桥式倍频器、低附加噪声梳状谱发生器、高抑制滤波器等，实现了低相噪、低杂散频率扩展，为实现频率合成器的宽带发射激励信号、宽带接收第一本振信号、接收第二本振信号、相参基准信号及定时基准信号的低相噪、低杂散奠定了基础。

2.1 方案概述

基准信号模块内置低相噪晶振，使用外部直流稳压电源，产生一路波段梳状谱信号、一路波段梳状谱信号、两路相参基准信号、两路定时基准信号。方案采用100 MHz晶体振荡器作为频率基准，经功分为五路，五路100 MHz信号分别经低附加噪声放大后，其中一路经低次三倍频后放大推动梳状谱发生器产生波段宽带多点频第一本振信号，一路经放大推动梳状谱发生器产生波段点频第二本振信，一路经分频、滤波放大产生两路定时基准信号，两路直接输出为相参基准信号。基准信号模块原理框图如图1所示。

图1 低相噪基准信号模块原理框图

2.2 相位噪声分析

本振、发射信号泄漏以及接收信号的相位噪声通过混频器的非线性作用转移到中频，将导致雷达系统的相位噪声性能恶化。为降低接收机中频的相位噪声，通常的方式是对本振和接收到的射频信号提出更为严格的相位噪声要求。因此，跟踪雷达采用相参的两级本振、射频信号和基带信号，使得各信号的相位噪声具有一定的相关性，通过接收机两次下变频后，中频近端载波相位噪声将大幅度降低。因此，设计中应保持本振、射频、参考信号以及时钟基准等的相参和低相噪特性。

1）模块主要器件附加相噪关系

分频定理公式表示为：

晶体振荡器、放大器、滤波器、倍频器等器件的附加相位噪声不尽相同，设计时应根据技术指标要求以及链路前后级制约关系，进行链路相位噪声的匹配。模块各主要器件附加相位噪声值如表1所示。

表1 模块主要器件附加相位噪声

由表1可知，模块链路相位噪声分配较为合理。

2）晶振的相位噪声

晶振是频率合成的源头，也是低相噪设计的关键，依据指标要求，按照式（2）进行估算，晶振的相位噪声应优于-162 dBc/Hz@1 kHz，另外需预留失配等3 dB以上的相位噪声损失。本文选用低相噪恒温晶体振荡器，其单边相位噪声为 -166 dBc/Hz@1 kHz，毫秒级频率稳定度1×10-11，宽温频率稳定度1×10-7。

3）放大器的相位噪声

4）三倍频器的相位噪声

5）梳状谱发生器的相位噪声

梳状谱发生器多以阶跃恢复二极管实现，输出是一系列与输入频率相同的窄脉冲，在窄脉冲中包含着极其丰富的谐波成分。本文梳状谱发生器的电路原理框图如图2所示。

图2 梳状谱发生器原理框图

通过匹配网络的调试，可减小输入驻波，获得最佳匹配。通过仿真，100 MHz梳状谱发生器输出功率为-9.1 dBm@4.2 GHz，300 MHz梳状谱发生器输出功率为-12.2 dBm@13.2 GHz，效率较高。 300 MHz梳状谱输出功率仿真如图3所示。

图3 300 MHz梳状谱发生器输出功率仿真图

6）分频器的相位噪声

分频器理想工作时相噪优化按式（3）进行，实际分频器存在附加相位噪声，导致相噪的降低可能达不到式（3）计算值。本文分频器将100 MHz信号分频为定时基准20 MHz信号，选用的分频器相位噪声为-142 dBc/Hz@1 kHz，较输入100 MHz的相位噪声相差较大，因此定时基准20 MHz输出相位噪声主要取决于分频器。

7）电源纹波对相位噪声影响

8）低杂散设计对相位噪声的影响

对于信号频率种类较多、指标要求高、集成化程度高的模块，易出现相位噪声正常而杂散异常，或者杂散正常而相位噪声异常的情况，因此，设计中应统筹考虑相位噪声和杂散要求，主要应考虑混频比、滤波、隔离、电磁兼容、级间匹配等。模块所用倍频器、梳状谱发生器及分频器输出均包含丰富的频率分量，使用带通滤波器选择出所用信号，抑制无用信号。带通滤波器对通带内信号匹配，对带外信号的反射较大，需要在滤波器与其前后级电路之间加隔离措施，改善器件间的匹配，通常加衰减器或隔离器进行匹配。对于模块内部各通道间的信号耦合及反向信号通道，通常采用合理进行频率布局、腔体隔离、滤波、隔离器、定向耦合器及衰减再放大等措施提高通道隔离。为提高电磁兼容性能，通常采用加强滤波、接地、合理布线、屏蔽或者用吸波材料降低空间干扰以降低杂散。

3 主要技术指标测试

本文选用的100 MHz晶振相位噪声实测值达-166 dBc/Hz@1 kHz，使参考源头的相位噪声进一步降低；精心设计功率放大器和梳状谱产生器，实测电路中放大器对晶振100 MHz信号放大后输出相位噪声的-164.7 dBc/Hz@1 kHz。

经测试，基准信号模块100 MHz梳状谱发生器在4.2 GHz处相位噪声为-128.6 dBc/Hz@1 kHz，杂散优于-80 dB；300 MHz梳状谱发生器在12.9 GHz处相位噪声为-121.6 dBc/Hz@1 kHz，杂散优于 -80 dB；两路相参基准100 MHz信号输出功率 5.5 dBm、5.2 dBm；两路定时基准20 MHz信号输出功率5.6 dBm、5.0 dBm。波段梳状谱发生器在4.2 GHz相位噪声测试结果如图4所示，波段梳状谱发生器在12.9 GHz相位噪声测试如图5所示。

图4 S波段梳状信号相噪测试图

图5 X波段梳状信号相噪测试图

4 结论

本文对基准信号模块低相噪设计的主要影响因素进行了分析、论述。该基准信号模块在应用频段内性能良好，能很好地满足工程需求，具有良好的应用前景。

[1] 李永波. 本振相位噪声对接收机性能的影响[J]. 电讯技术，2012（4）.

[2] 杨俊，许强. 频率源的相位噪声对雷达系统性能的影响[J]. 舰船电子对抗，2016（1）.

[3] 杨永强，杜晓勇. 基准信号产生模块[C]. 2009年全国微波毫米波会议论文集（下册），2009.

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[5] 樊海博，李梅. PD雷达MTI改善因子影响因素分析[J]. 火控雷达技术，2005（2）.

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—），陕西咸阳人，硕士，高级工程师，主要研究方向为雷达频率合成器及接收机。