毫米波雷達(dá)頻率源設(shè)計(jì)

張文寶+白珂

摘要：毫米波雷達(dá)是一種在毫米波波段進(jìn)行工作和探測的雷達(dá)，它具有波束窄、質(zhì)量輕、空間分辨率高的特點(diǎn)，穿透煙霧或者塵土的能力比較強(qiáng)，因此目前在我國許多的重要軍用系統(tǒng)之中有所應(yīng)用。本文就對毫米波的特點(diǎn)以及頻率源的工作原理進(jìn)行了簡介，并提出了毫米波雷達(dá)頻率源的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：毫米波雷達(dá)；頻率源；工作原理；設(shè)計(jì)

毫米波頻率源是毫米波通信系統(tǒng)之中的關(guān)鍵部件，因此在科研領(lǐng)域始終占據(jù)重要位置。我國的毫米波頻率源的研究相對于外國較為落后，它的研究始于80年代，在90年代開始得到了關(guān)注，而如今我國的毫米波技術(shù)已經(jīng)有了明顯的進(jìn)步。

一、毫米波的特點(diǎn)

毫米波的傳播和大氣特征有著巨大的關(guān)系，它具有傳播衰減的特性，與紅外、激光、微波和光波等相對比，它具有如下特點(diǎn)：

1.相較于光波和紅外，毫米波可以更好地穿過煙霧、塵埃等介質(zhì)，因?yàn)樗诖┻^等離子體，損耗更低；

2.毫米波段會(huì)根據(jù)頻率的不同而在大氣中呈現(xiàn)不同的傳播衰減特性；

3.毫米波對目標(biāo)的外形細(xì)節(jié)十分敏感，這是由于其散射特性；

4.毫米波的缺點(diǎn)是波長比較短，因此更容易受到干擾、衰減和吸收的影響，作用距離會(huì)產(chǎn)生變化。

綜合上述特點(diǎn)，毫米波一般被用于毫米波通信系統(tǒng)、雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)等多方領(lǐng)域。

二、頻率源技術(shù)原理簡介

頻率源技術(shù)就是通過一系列混頻、倍頻與分頻等的操作，將一個(gè)或多個(gè)參考信號(hào)輸出為一個(gè)或多個(gè)具有相同頻率穩(wěn)定度的過程，在這種操作之中，需要保證輸出信號(hào)頻率、幅度與相位等參數(shù)是可調(diào)的。隨著科技的發(fā)展，人們對于頻率源的要求越來越高，頻率源不僅需要頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲低、相位雜散抑制能力強(qiáng)，還需要有良好的抗干擾能力以及抗截獲性并且調(diào)頻速度要快。目前，頻率源技術(shù)主要包括四種技術(shù)，分別是直接式合成技術(shù)（DS）、直接數(shù)字式頻率合成（DDS）、間接式頻率合成和混合式頻率合成技術(shù)。其中，直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（以下簡稱DDS）在我國應(yīng)用較為廣泛。

DDS通過頻率來控制字、相位累加器、相位-幅度變換器，也就是由ROM查找表、DAC和低通濾波器等組成。它的工作原理是，相位累加器在參考時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)之下，按照預(yù)設(shè)的頻率對控制字FTW進(jìn)行線性累加，它輸出作為正弦查找表的地址，然后依據(jù)此尋找ROM表，再把相位-幅度變換器中的相位信息轉(zhuǎn)為幅度信息，數(shù)字信號(hào)需要通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，最后再由LPF平滑處理來輸出正弦波信號(hào)。FTW決定了DDS的輸出頻率，相位累加器位數(shù)決定了DDS的分辨率。相位累加器可以在數(shù)字域做的比較高，所以，相較于傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)，DDS在分辨率上更具有優(yōu)勢。

三、毫米波雷達(dá)頻率源方案設(shè)計(jì)重點(diǎn)

1.毫米波雷達(dá)頻率源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)主要在于要產(chǎn)生雷達(dá)激勵(lì)信號(hào)（以下簡稱LFM）并且應(yīng)當(dāng)可以輸出毫米波，一般來講，DDS是LFM最常用的產(chǎn)生信號(hào)方案，DDS的跳頻速度更為優(yōu)秀，分辨率更好，但是低頻輸出會(huì)對它的單獨(dú)使用產(chǎn)生限制，因此，為了將輸出頻率遷移到毫米波頻段需要采用一些技術(shù)手段，如下：

（1）鎖相環(huán)間接倍頻可以將頻譜進(jìn)行遷移，但是鎖相環(huán)會(huì)對相位噪聲進(jìn)行惡化，而且通過這種方法，鎖相回路（以下簡稱PLL）的輸出頻率很難到達(dá)毫米波頻段，所以這種方法并不適合將輸出頻率遷移到毫米波頻段頻譜；

（2）想要將頻譜搬移到毫米波頻段，如果采用倍頻器多次倍頻，將會(huì)對信號(hào)頻譜純度產(chǎn)生影響，那么可以判斷，多次倍頻是不能達(dá)到相位噪聲的基本要求的；

（3）假如采用多次混頻的方式將頻譜遷移到毫米波頻段，那么我們可以保證混頻對系統(tǒng)相位噪聲的影響相對較小，多次混頻還可以越過增加倍頻器的步驟。

因此，想要實(shí)現(xiàn)毫米波LFM信號(hào)的輸出可以采用DDS和PLL環(huán)外二次混頻+毫米波混頻的方式，這種方法可以在各個(gè)方面較好滿足LFM信號(hào)的輸出需求。

2.毫米波雷達(dá)頻率源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是需要有一路高性能的毫米波本振信號(hào)，本次設(shè)計(jì)采用的方式視PLL+倍頻，主要是采用倍頻器，將一個(gè)單環(huán)PLL輸出點(diǎn)頻微波信號(hào)，最后輸出到毫米波頻段本振信號(hào)。

也就是說，混合式頻率合成技術(shù)方案是最終整機(jī)系統(tǒng)的確定性方案，多節(jié)頻譜的遷移將會(huì)以混頻器為遷移基礎(chǔ)。

3.關(guān)于頻率配置與電平規(guī)劃。針對目前整機(jī)之中頻點(diǎn)輸出較多的情況，必須要在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)之前對頻率配置和電平規(guī)劃進(jìn)行計(jì)劃。

結(jié)合頻率與電平，本方案中在發(fā)射機(jī)中使用多次變頻技術(shù)，好處如下：

（1）在選擇性上給予了整個(gè)系統(tǒng)提升；

（2）多次變頻會(huì)保證VCO輸出功率不會(huì)對最終輸出功率產(chǎn)生影響；

（3）本振源信號(hào)的產(chǎn)生將會(huì)更加簡單。

4.在對于毫米波頻率源的設(shè)計(jì)之中，信號(hào)相位噪聲性能將會(huì)是本次設(shè)計(jì)之中的重點(diǎn)考量標(biāo)準(zhǔn)，而且，為了提升混頻后輸出射頻信號(hào)的頻譜質(zhì)量，本振信號(hào)質(zhì)量也需要有一個(gè)較高的標(biāo)準(zhǔn)。

5.對于毫米波信號(hào)穩(wěn)定性的探查。信號(hào)頻率穩(wěn)定性是影響整個(gè)系統(tǒng)的重要因素，因此，毫米波輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定性需要作為重點(diǎn)探查對象，而毫米波輸出信號(hào)穩(wěn)定性主要由參考源信號(hào)和PLL電路本身的特性決定。

6.隨著科技的發(fā)展，頻率源將需要應(yīng)對更多的工作環(huán)境，因此，毫米波雷達(dá)頻率源需要有更多的提升，例如功耗低、頻帶寬、小體積等，因此，在本次毫米波雷達(dá)頻率源的設(shè)計(jì)之重，還可以繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)：

（1）通過找到新的技術(shù)方法來對混頻次數(shù)進(jìn)行降低，并對系統(tǒng)雜散抑制能力進(jìn)行提升，向頻綜小型化設(shè)計(jì)做進(jìn)一步的努力；

（2）在整體的配件上采用更小的器件，使布局和結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，提升輸出信號(hào)，降低相位噪聲，將接收機(jī)的分辨率做一個(gè)提升；

（3）對DDS技術(shù)做出深入的研究，在保證可以抑制雜散的基礎(chǔ)上，將合成頻率做一個(gè)提升，為能更高質(zhì)量的線性調(diào)頻信號(hào)的實(shí)現(xiàn)而努力。

總結(jié)：

綜上所述，本文針對毫米波雷達(dá)頻率源的設(shè)計(jì)方法，從毫米波特點(diǎn)、頻率源功能原理以及毫米波雷達(dá)頻率源設(shè)計(jì)的重點(diǎn)三方面進(jìn)行了探究，對可以影響毫米波頻率源系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的幾項(xiàng)因素進(jìn)行了分析，把握住了毫米波雷達(dá)頻率源設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。相對于目前的其它技術(shù)方法來說，本文提供的設(shè)計(jì)方向更加具有性能高，相位噪聲低的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。其中，本文還對于目前我國可以使用的技術(shù)進(jìn)行了簡單分析，找到了這些技術(shù)在毫米波雷達(dá)頻率源設(shè)計(jì)之中的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，并對未來毫米波雷達(dá)頻率源的技術(shù)要求以及設(shè)計(jì)方向進(jìn)行了猜想，提出了幾種切實(shí)的有利于毫米波雷達(dá)頻率源設(shè)計(jì)發(fā)展的建議。鑒于我國目前對于毫米波雷達(dá)頻率源的技術(shù)需求，我們應(yīng)當(dāng)在對其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上提供更多的創(chuàng)新思想并對這些想法動(dòng)手操作來驗(yàn)證其可行性，提高我國毫米波雷達(dá)頻率源的技術(shù)發(fā)展。

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簡介：張文寶，男（1979.7-），四川廣元人，工程師，本科，研究方向：火控雷達(dá)頻率綜合器。

二作：白珂，男（1982.2——），四川彭州市人，工程師，本科，研究方向：火控雷達(dá)接收前端。