微波毫米波雷達頻率源關鍵技術研究

李曉莉+趙文峰

摘要：雷達主要任務除了對測量目標方位、距離和仰角進行監測，同時還要對目標測量速度，從目標回波中獲取更多信息，進而來識別目標。在雷達系統中雷達頻率源作為其關鍵部件，雷達頻率源發揮著重要的作用，主要是為雷達接收機提供參考信號和本振，同時也為全相參雷達提供系統時鐘和發射激勵源，頻率源的發展為新體制雷達研發提供機會，創造條件。當前雷達面臨的電磁環境壓力，推動了雷達技術的進步，由于基地雷達對系統時間同步所提出的要求越來越高，其內部頻率源同步十分重要。本文就對微波毫米波雷達頻率源的關鍵技術進行分析和研究，為業界提供參考的依據。

關鍵詞：微波；毫米波；雷達頻率源；關鍵技術

雷達原指的是通過無線電來發現目標，并對目標的空間位置加以測定，在二次世界大戰期間在軍事領域中得到廣泛應用。隨著信息技術和科技水平不斷提高，雷達性能也得到了完善，在20世紀中期，航空航天技術的發展，在宇宙飛船、人造衛星、導彈、飛機等都采用雷達來對目標物進行控制和探測，尤其是在反洲際導彈系統的研制過程中，對雷達的探測精度、分辨力、目標測量數量及距離等都提出了更高的要求[1]。為了解決這一問題，雷達就進入快速發展的階段，隨著雷達性能的不斷提高，其應用范圍也在不斷拓寬。

一.頻率源的基本理論

雷達頻率源主要是為了向雷達發射機提供射頻激勵信號，并向雷達接收機提供多種本振信號，并為信號處理系統提供基準信號。早期雷達信號的發射主要是通過磁控管等振蕩器來實現的，但這種發射信號的方法所產生的射頻信號穩定度較差。現代雷達發射機中采用的是固態放大器和速調管，從而提高了雷達發射信號穩定性，波形多樣性和帶寬等，近年來電磁環境在不斷惡化，從而導致雷達發射信號向復雜波形、寬帶寬和捷變頻發展，從而使雷達頻率源也逐漸向此方向發展，導致頻率源功能更加復雜，結構尺寸更大。早期的雷達性能功能簡單，雷達頻率源技術也十分簡單，而隨著超外差體制出現，雷達系統從微弱回波信號下變頻到較低頻率中頻頻率，產生和發射信號同步變化的一種本振信號[2]。為了充分利用回波信號，雷達系統中需要采用高質量的雷達接收機本振信號，為滿足雷達指標要求，需要將回波信號多次經過下變頻，從而就要求雷達頻率源提供更多的本振信號，隨著雷達技術不斷發展成熟，雷達接收機的本振信號需要和雷達發射頻率變化相同步。

由于雷達系統的功能性變得更加復雜，雷達系統所需要的控制信號和時鐘信號數量就不斷增加，同時對雷達系統的要求也在不斷提高，在雷達系統中雷達頻率源可以為內部部件提供參考基準信號。由此可見雷達頻率源從簡單的雷達部件已經變成了多樣化、設計更復雜、頻率合成方式更靈活、技術指標更難的關鍵部位。

二.微波毫米波雷達頻率源關鍵技術

（一）寬帶步進捷變頻頻率源技術

捷變頻雷達的抗干擾能力較強，使雷達探測距離增加，同時可以有效提高雷達的分辨力，抑制海浪雜波，在現代電子戰爭中雷達為避免受到地方干擾，提高了頻率源的頻率范圍，并對頻率快速變換，提高了雜散抑制指標，相位噪聲較低。在該技術下DS頻率轉換時間較短，頻率分辨率較高，但如果輸出的頻點較多的情況下，電路中的開關器件數量化和參考源的數量增加，就使電路成本和復雜度增加，因此一般不考慮用來產生寬帶捷變頻信號[3]。雖然DDS的分辨率及較高，頻率較快，但輸出信號頻率低，對其運用范圍產生限制，而PLL輸出信號頻率較高，雜散低，相位噪聲低，但其頻率的轉換速度受到環路參數影響，難以達到捷變頻要求，因此需要根據捷變頻頻率源要求來對頻率合成方式加以應用。

（二）線性調頻脈沖雷達頻率源

由于雷達距離分辨率和雷達測距精度受到信號頻域結構影響，其測速精度與分辨率都受到信號時域結構影響，為提高雷達系統的分辨能力和測量精度，要求雷達信號具有較大的帶寬和時寬，而線性調頻脈沖信號出現后解決了單載頻脈沖信號無法解決大帶寬和大時寬的問題[4]。根據線性調頻脈沖信號線性度的影響參量分析，在理想線性調頻信號相位差、高斯噪聲和正弦調制的基礎上，利用理論分析推導公式進行仿真與分析，設計出高性能的線性調頻頻率源，為其提供工程參考機理論依據。在該設計方案中采用高速控制單元來實現對頻率源的控制，實現對信號重復周期、脈沖寬度和重復周期內輸出頻率等各項參數的轉換，同時又保證輸出信號的高指標要求。

（三）W波段雷達頻率合成技術

由于微波雷達和毫米波雷達工作原理基本相同，但毫米波的波長比微波短，兩者之間存在顯著的大氣傳播特性差異，毫米波雷達的特點和微波雷達不同，可用的工作頻帶較寬，距離分辨力、速度分辨力和角分辨力較高，體積更小，目標信息更加豐富。而微波雷達頻率主要是采用DDS來產生雷達的波形數字，在雷達系統中可以對波形和相關參數及西寧重新配置，使雷達波形產生的方式更加靈活，性能也更加優越，但由于受到技術的限制和影響，導致設計方案在毫米波雷達中難以直接應用，因此就設計出W波段雷達頻率。在W波段頻率變頻模塊中主要包括有濾波器、混頻器、四倍頻器和放大器等四個部分的電路，其中W波段四倍頻器主要采用的是單片四倍頻器直接產生，在四倍頻鏈路中集成在一個芯片，通過緩沖放大器在輸出端提高輸出功率，同時對于一些不必要的諧波加以抑制[5]。而混頻器則主要采用的是HRL實驗室中的單片，這一芯片的變頻損耗值為10dB，其射頻輸入端和本振輸入端均采用的是微帶、對脊鰭線、波導過渡結構，其中中頻輸入端為平衡輸入結構。濾波器采用的是鰭線結構的帶通濾波器，主要是對于通帶外雜散加以抑制，其通帶范圍為90GHz，帶內插損不超過5dB，對本振泄漏抑制超過50dB，符合設計的要求。W波段放大器主要采用是兩個W波段的低噪放LSPA級聯對濾波后的信號功率進行放大。

結語：

本文通過對雷達系統中微博毫米波雷達頻率源的關鍵技術進行研究和探討，采用高質量微波雷達頻率源信號，并配合毫米波頻段倍頻及混頻器來實現W波段低雜散和低相噪雷達頻率源，而在相位噪聲、功率平坦度和雜散抑制等方面的性能指標均較為滿意，通過理論及工程實踐均可以對方案可行性加以論證。

參考文獻：

[1]黃裔誠，黃殷，郭澤勇.一次CINRAD/SA天氣雷達頻率源故障的分析與處理[J].氣象與環境科學，2017，40（02）：127-132.

[2]吉宗海，劉泉，馬駿，丁勇.一種基于數字鎖相的某米波段雷達頻率源設計[J].信息系統工程，2013，（06）：132-133+135.

[3]楊遠望，蔡竟業，劉鐮斧.毫米波低相噪捷變頻高分辨率雷達頻率源設計[J].電子技術應用，2011，37（10）：56-59.

[4]趙建農.一種浮空器雷達頻率源/激勵產生器及改善因子分析[J].數字技術與應用，2011，（05）：99-100+95.

[5]周健.雷達頻率源中DDS的觸發抖動對目標檢測的影響[J]. 電子工程師，2004，（04）：4-6.

簡介：李曉莉，女（1986.8——），四川達州市人，助理工程師，本科，研究方向：火控雷達頻綜。

趙文峰，男（1983.5——），四川達州市人，工程師，本科，研究方向：火控雷達頻綜。