一种改善DDS性能的倍频方法

题。图3表示了DDS的杂散来源，主要有以下三个方面的因素：

　　（1）ξDA（n）是D/A变换器引入的误差，它是由D/A变换器的非理想特性引起的。DAC的非理想特性有：差分、积分的非线性、D/A转换过程中的尖峰电流、转换速率受限等；

　　（2）ξT（n）是ROM存贮数据的有限字长引起的误差。由于ROM存储的位数是有限的D，所以幅值量化过程中将产生量化误差ξT（n）；

　　（3）ξP（n）是相位舍位引起的误差。在DDS中，一般相位累加器的位数L远大于ROM的寻址位数W，因此累加器的输出寻址ROM时，其L-W个低位就必须舍去，这样就不可避免地产生相位误差，称为相位截断误差ξP(n)。该误差是DDS输出杂散的主要原因。

2 扩展DDS频率上限的方法

　　根据前面的分析可以知道，DDS的输出频率较低以及杂散电平高，限制了它在宽带、高稳定、高纯频谱雷达信号中的应用。为了降低杂散，不能完全利用DDS相对带宽很宽的优点，只能选择DDS中一段杂散软低的有限带宽，通过倍频扩展其上限频率。这就是为了获宽带信号波形采用DDS加倍频的理由。

　　扩展带宽的方法有很多，可以利用倍频器直接倍频，乘法器倍频，利用镜像抑制混频器分取上、下边带，利用DDS正交输出合成，DDS与混频器组合 ，DDS与锁相环组合，以及多路并行DDS的方法。本文采用的是DDS直接倍频的方法，下面详细介绍这种方法。

　　 图4是DDS直接倍频的原理方框图。来自型号为Stel-1175的DDS输出的0～20MHz较小的信号经前置放大后，通过后面的窄带滤波器，经过耦合电容加到第一级晶体管倍频器，调整晶体管的直流工作点，使其工作在丙类工作状态下，由于晶体管的非线性特性，在其信号输出端产生多次谐波，再通过带通滤波器来有效地提取输入信号的二倍频信号。通过这样的四次二倍频后输出频率为198～220MHz。由于带通滤波器有大的衰减（插损-10dB），输出信号很小，故在最后加了一级晶体管线性放大器，用以获所需幅度的信号。

　　与许多倍频方式相比，晶体管倍频具有电路简单、支态范围大、增益高、杂散谐波电平低等优点，故在DDS倍频电路中采用了晶体管倍频的方案。基本原理是利用了晶体管在丙类工作状态下，导致输入信号波形的失真，从而产生它的各次谐波分量，然后通过后级选频回路来提取所需要的谐波分量。在DDS倍频模块的晶体管倍频电路中，选用了2SC3358作为倍频用的晶体管，它是一种低相噪、高可靠、高稳定性的晶体管，具有较大的动态范围。下面将扼要分析晶体管倍频的工作原理。

　　二倍频电路中各级电压与电流关系如图5所示。由于晶体管的非线性，在集电极产生基波的各次谐波，让输出回路谐振于二次谐波，因此Vc的频率比基波信号频率高一倍，同时，Vcmin与Vbmax仍在同一点相遇。瞬时集电极电压与瞬时基极电压的表达式可分别写成：

　　vc=Vcc-Vcmcos2ωt (3)

　　vB=-VBB+Vbmcosωt (4)

　　为了比较，图5中同时用虚线画出作为放大器时的bc=Vcc-Vcmcosωt的曲线。可以看出，在有ic流通的时间内，倍频器的集电极瞬时电压上升速度比较快。因此，在同样的Vcmin值的情况下，倍频器的集电极损耗功率Pc比正常工作于基波频率时大得多，亦即集电极效率ηc要低得多。为了避免Pc太大，应减小倍频器的集电极电流通角θc，以减小Pc，提高ηc。

　　由于Vcmin相同，因此两者的电压利用系数ξ=Vcmn/Vcc也相。现在从相同的iCmax与rCmin这两个条件出发，来比较倍频器与放大器的输出功率与效率：

　　Pon=1/2VcmIcmn=1/2(ξVcc)iCmaxan(θc) (5)

　　ηc=(Pon)/(Po)=[(1/2)VcmIcmn]/(VccIco)=(1/2)ξgn(θc) (6)

　　式中：gn=(Icmn)/(Ico)=[an(θc)]/[a0(θc)]

　　由式（5）可见，n次谐波倍频器的输出功率正比于n次谐波的分解系数an(θc)。由图5可以知道：

　　θc=120° a1(θc)=0.536(最大) θc=60° a2(θc)=0.276(最大) （7）

　　因此为了倍频器的输出功率最大，在n=2时，θc应取60°左右。这时与θc=120°时的放大器输出功率相比较有：

　　(Po2)/(Po1)=[a2(60) °]/[a1(120°)]=0.52≈1/2 (8)

由此可见，在采用最佳通值角的情况下，二次倍频器的输出功率只能约等于它作为放大器时的1/2。与此同时，由式（8）可以求出它的效率也随着倍频次数n的增而下降。

由以上的讨论可以知道，随着倍频次数n的增加，它的输出功率与效率下降。同时，n值越高，最佳的θc值越校为了减小θc，就必须提高倍频器的基极反向偏压-VBB。VBB加大后，基极激励电压Vbm也必须加大。对于晶体管电