一種全相參雷達導引頭頻率源的研制

王玉江 趙達軍 張 博 葉忠彬

(四川航天電子設備研究所 成都 610100)

0 引言

當雷達系統的射頻信號、本振信號、時鐘信號和參考信號等均由同一基準源提供，且這些信號之間均保持確定的相位關系，即相位相參，這種雷達系統統稱為全相參系統[1]。全相參雷達體制可以得到多普勒頻率來獲取目標的速度信息，使雷達對目標識別從距離一維擴展到距離-速度兩維，提高了目標的發現概率，這種體制是實現頻率捷變技術和線性調頻技術的基礎，可以產生復雜的信號波形，來提高雷達的低截獲概率和抗有源干擾的能力[2]。頻率源作為全相參雷達系統的核心，本文采用直接頻率合成技術，其具有相位噪聲低、轉換時間快、穩定可靠等主要優點,該技術在高速、低相噪頻率合成領域仍占有一定的地位。由于直接頻率合成技術以高穩定晶體振蕩器為基準源，采用大量的倍頻、分頻、放大、濾波等模擬器件,因模擬器件的非線性影響難以抑制,容易產生過多的雜散分量，大量的模擬器件導致體積較大,故采用金屬隔離條的形式來減小不同信號間的串擾，提高雜散抑制度；采用射頻多層板方式來減小體積。最終通過運用直接頻率合成技術的相關理論，采用有效的信號串擾隔離屏蔽技術，借用ADS阻抗匹配仿真方法，設計了一種具有相位噪聲較低，雜散抑制度較高的全相參頻率源。

1 全相參直接頻率合成技術

雷達頻率源以一個或數個基準源為參考，綜合產生并輸出所需的多個頻率的裝置。按照輸出信號的相位關系可分為相參信號源和非相參信號源。雷達頻率源的穩定度和相參性對雷達性能有著重要的意義,系統頻率的相參性是現代雷達的核心技術之一[3-4]。以一個基準源為參考，經過倍頻、分頻、混頻等方式得到的各個輸出頻率，其穩定度與基準源一致，這種產生方式即為全相參直接頻率合成。但是直接頻率合成采用大量的模擬器件,容易產生大量的雜散分量，這些雜散需要體積較大的高性能腔體濾波器進行濾除，從而使得頻率源的體積增大、成本升高、結構復雜，這是其主要缺點。間接頻率合成技術可以將鎖相環構筑成一個窄帶跟蹤濾波器,很好地選擇所需的頻率信號,抑制雜散分量,避免使用大量濾波器,有利于集成化和小型化，具有成本低的優勢[5-6]，其缺點主要是相位噪聲差、響應時間慢、分辨率不高。由于全相參雷達對相位噪聲、雜散抑制度、響應時間、穩定度等性能要求比較高，間接頻率合成技術并不滿足設計要求，故本文采用直接頻率合成技術，通過隔離屏蔽技術提高雜散抑制度，運用射頻多層板技術減小體積，以彌補直接頻率合成技術的缺陷。全相參直接頻率合成原理如圖1所示。

圖1 全相參直接頻率合成原理圖

1.1 倍頻器的工作原理

直接頻率合成技術的主要器件是倍頻器，其內部是由晶體三極管組成的，三極管的基極不設置或設置很低的靜態工作點，則使三極管工作于非線性狀態，輸入信號經過管子放大后輸出其他各階諧波信號，其工作原理如圖2所示。

圖2 倍頻器工作原理圖

為了簡化分析，可以忽略掉高階效應，以一個理想二端口非線性器件為例對倍頻器的基本工作原理作以下分析為

io=D(Vi)，Vi=Aicos(ωit)

(1)

基頻輸入信號的電壓Vi與倍頻后輸出信號的電流io對應關系如式(1)所示,該關系式的泰勒級數展開表達式為

(2)

將Vi帶入式(2)可得

(3)

從式(3)可以看出，倍頻器輸出信號產生豐富的諧波分量，利用帶通濾波器將產生的大量諧波分量從中提取出所需要的N次諧波信號，同時把其它不需要的諧波信號濾除掉，從而實現對輸入信號的倍頻功能。設倍頻器的輸入基頻和輸出倍頻的相位噪聲分別為L(f0)和L(Nf0)，根據理論公式可知，倍頻器使頻率合成的頻率源的相位噪聲惡化理論值為

(4)

輸入信號經過N次倍或分頻時，輸出信號的相位噪聲惡化按照20lg(N)增加或減小。

1.2 相位噪聲

相位噪聲即系統在各種噪聲作用下引起系統輸出信號相位的隨機變化，它是衡量頻率標準源頻穩質量的重要指標。它影響系統中信號處理檢測精度，從而影響雷達探測目標的精度[7]。在現在雷達對抗中，由于電磁環境的復雜性，對信號接收通道的靈敏度等參數提出了更高的要求，頻率源的本振信號的相位噪聲對檢測識別雷達回波信號的能力起決定性影響，其相位噪聲對接收信號的影響，如圖3所示。

圖3 相位噪聲對接收信號的影響

雷達頻率源的本振信號對回波信號f1或f2進行下變頻得到中頻信號fL-f1或fL-f2，當回波信號沒有受到外界干擾時，雷達可以較好地獲得目標的回波信號，然而在實際復雜電磁環境空間存在大量的干擾信號以及各種噪聲，當干擾信號的頻譜靠近回波信號的頻譜，且幅度較大，則弱的信號就容易被干擾信號的噪聲邊帶淹沒，如圖3所示當本振信號相位噪聲比較高時，弱的目標回波信號就被淹沒，雷達無法探測識別，從而降低了雷達識別探測目標的能力，當提高本振信號相位噪聲，淹沒的目標信號被發現，從而提高了雷達的靈敏度。

高穩定晶體振蕩器作為全相參雷達頻率源的基準源，當前雷達系統大部分采用高頻、高穩定、低相噪的晶體振蕩器作為基準源[8]。本文采用國內廠家設計的100MHz高穩定晶體振蕩器，該晶振不僅具有頻率高、相噪低、高可靠的特點，還具有體積小的特點，其體積僅有28mm×18mm×6mm，滿足當前小型化的需求，其詳細指標如表1所示。

表1 高穩定晶體振蕩器性能參數指標

頻率源的輸出信號都是通過倍/分頻器得到，其相位噪聲均在此基礎上進行惡化或改善。通過分析，影響相位噪聲性能的兩個主要因素：一是高穩定晶體振蕩器；二是倍頻因子。但是，在實際工程中高穩晶振的供電電壓穩定性對相位噪聲影響較大，由于線性穩壓器輸出電壓具有穩定性高、紋波小、可靠性高、電磁干擾低的特點，故高穩晶振采用線性穩壓器進行單獨供電，與其他有源器件供電分開，提高高穩晶振的穩定度及性能。因此本設計選用適當的高穩晶振、倍頻因子以及線性穩壓器，從而使頻率源產生的輸出信號相位噪聲更低，更好的滿足雷達系統需求。

2 雷達接收機靈敏度

隨著雷達接收技術的發展，影響雷達導引頭作用距離的因素不是目標回波信號的微弱程度，而是各種噪聲干擾的程度。通過分析，頻率源產生的本振信號的相位噪聲邊帶影響雷達接收機的靈敏度，研究本振信號的相位噪聲與靈敏度的關系[9]，具有一定的實際參考意義，這是本文的創新點之一。雷達系統的靈敏度主要受限于接收機內部的熱噪聲和外部的干擾噪聲兩個方面。當本振信號源的相位噪聲極低條件下，接收機的靈敏度主要是內部熱噪聲做貢獻，其計算公式為

Smin=KTFBnM

(5)

其中，K為玻爾茲曼常數1.38×10-23J/K；T為絕對溫度，常溫290K；F為接收機噪聲系數，單位dB；Bn為噪聲等效帶寬，單位Hz；M為識別系數。若雷達接收機參數F=10dB，Bn=10MHz，M=1，則由式(5)可得，工作靈敏度Smin=-94dBm。但是實際環境中存在強大的信號泄漏和雜波干擾，本振信號的相位噪聲邊帶由于混頻作用而轉移到信號泄漏和雜波干擾上，使信號泄漏和雜波干擾明顯增強，外部噪聲干擾影響較大，接收機的靈敏度主要是由外部干擾噪聲決定，其計算公式為

Smin=PR+L(f)+10lg(Bn)

(6)

式(6)中，PR為本振信號泄漏功率絕對值，單位dBm；L(f)為本振信號的相位噪聲，單位dBc/Hz。在泄漏功率和噪聲等效帶寬一定條件下，接收機的靈敏度與本振信號存在線性關系，提高本振信號的相位噪聲可以直接改善接收機的工作靈敏度。式(6)可以作為工程中定量計算雷達工作靈敏度的有效方法，具有一定的實際意義。

3 全相參頻率源電路總體設計

全相參頻率源以一個100MHz高穩晶振作為基準源，運用功分器、倍頻器、放大器、濾波器等器件，通過選擇不同倍頻因子，輸出不同頻率的信號，其產生原理如圖4所示，其輸出信號為：100MHz相參時鐘信號、120MHz信處時鐘信號、3GHz的DDS時鐘信號、9.6 GHz本振信號。通過頻譜分析，以100MHz為基準源，通過一次2倍頻和一次3倍頻的方式產生600MHz的信號，該方式比一次6倍頻產生的信號頻譜干凈、相噪低。600MHz信號5分頻產生120MHz信處時鐘信號，5倍頻產生3GHz的DDS時鐘信號，16倍頻產生9.6 GHz本振信號。通過共用600MHz的信號，可以有效減少元器件數量，從而減小體積、降低成本，這是本文的創新點之二。本文通過使用高穩定晶體振蕩器，運用直接頻率合成技術的相關理論，采用有效的信號串擾隔離屏蔽技術，借用ADS阻抗匹配仿真方法，最終設計了一種高性能、高穩定性的頻率源。

圖4 全相參頻率源產生原理圖

相參時鐘為FPGA提供參考時鐘，保證雷達系統的相參性。相參時鐘由高穩晶振100MHz信號經過功分器、π衰、放大器、濾波器等產生所需要的100MHz相參時鐘信號。信處時鐘信號為信號處理機提供采樣時鐘，根據系統要求，其需要四路相參一致的120MHz信處時鐘信號，該信號由共用600MHz信號經過五分頻、濾波器、π衰、放大器等產生所需要的120MHz采樣時鐘信號，再通過四功分器產生四路相位基本一致的采樣時鐘信號。由于本設計頻率源的相參時鐘信號、信處時鐘信號頻率較低，設計電路簡單，其輸出指標較好，故本文不對其設計進行詳細論述。由于高頻信號電路設計較為復雜，信號串擾較大，輸出指標調試難度較大，因此本文重點對高頻信號的DDS參考時鐘信號、本振信號射頻電路設計進行詳細分析，使其滿足指標要求。

3.1 DDS參考時鐘信號

由于DDS具有頻率分辨率高、頻率捷變快和易于控制等優點，廣泛應用在雷達系統中，DDS參考時鐘信號為DDS提供工作時鐘信號，但由于受到奈奎斯特采樣定理的限制，DDS輸出頻率只能達到參考時鐘的40%，本設計選用AD9914，其參考時鐘高達 3.5GHz，其輸出頻率最高可達 1.4GHz。為了保證DDS既要在合理區間，又要滿足輸出信號要求，因此DDS參考時鐘定為3GHz，其輸出頻率可達 1.2GHz。DDS時鐘信號3GHz產生原理如圖5所示，600MHz信號經過五倍頻即得到3GHz參考時鐘信號。其輸出參數指標要求：輸出功率為0±2dBm；雜散≤-50dBc；諧波≤-45dBc。五倍頻產生的3GHz信號經過FBF3000T70濾波器，該濾波器的帶外抑制度如圖6所示，其近端抑制在50dBc以上，遠端抑制在40dBc以上，二次諧波抑制度可以達到45dBc以上，確保DDS輸出頻譜不會因為該時鐘信號產生的雜散帶來交調。在輸出端再加一LFCN-3000低通濾波器，其二、三次諧波抑制度分別達40dBc、20dBc以上，最終DDS參考時鐘信號的理論計算諧波、雜散抑制度達到60dBc以上，滿足指標要求。

圖5 DDS參考時鐘信號產生原理圖

3.2 本振信號

本振信號是雷達系統最重要的信號，該信號與上行工作信號上變頻產生雷達發射信號，雷達回波信號下變頻產生第一中頻信號，因此該信號的頻譜純度、信號穩定度等參數指標對整個雷達系統具有重要影響。本振信號產生原理圖如圖7所示，本振信號是通過16倍頻產生的，其輸出參數指標要求：輸出功率為8±2dBm；雜散≤-50dBc；諧波≤-45dBc；相位噪聲≤-95dBc/Hz@1kHz。為了提高本振信號的雜散抑制度，在16倍頻器的輸入、輸出端各加一濾波器，輸入端加一定制的600MHz聲表濾波器，因其矩形系數較高，其雜波抑制度可達50dB以上，16倍頻器選用ADI生產的HMC445LP4有源倍頻器，其輸出頻譜如圖8所示，由圖8可得輸出頻譜各次諧波均在20dBc以下，輸出信號相鄰的15和17次諧波可達35dBc的抑制。本文采用體積較小的MEMS帶通濾波器，其帶外抑制如圖9所示，該濾波器對遠端的抑制在50dBc以上，通過濾波器的濾除，9.6 GHz的雜散可以達到60dBc以上， 諧波可以達到50dBc以上，雜散諧波滿足設計指標。本振信號的相位噪聲理論值可根據式(4)與高穩晶振的相噪參數值，得到本振信號相位噪聲L(f)≤-145+20lg96=-105dBc/Hz@1kHz，該理論的相位噪聲優于-95dBc/Hz@1kHz，滿足設計指標。

圖7 本振信號產生原理圖

圖8 16倍頻器輸出頻譜圖

圖9 帶通濾波器帶外抑制圖

由于有源倍頻器的輸出功率達到5 dBm，再加上濾波器自身損耗較大，需要加一級放大器進行功率放大才能達到輸出功率要求。本文選用ADI生產的HMC565LC5放大器，該芯片增益可達20dB，P1dB為10dBm，輸入、輸出50Ω阻抗匹配，根據該芯片提供的.S2P文件，借助射頻電路先進設計系統(Advanced Design System,ADS)仿真軟件，其輸入、輸出回波損耗S11、S22參數如圖10所示，根據S參數曲線，輸入回波損耗可達-24dB，阻抗匹配較好，輸出回波損耗-17 dB，輸出阻抗匹配較差，需要對其進行阻抗匹配。在實際調試過程中，信號輸出端需要一個阻抗匹配網絡將阻抗匹配到50Ω附近，本阻抗匹配網絡設計采用當前最常用的史密斯圖法，利用阻抗-導納史密斯圓圖的相關理論[10-11]，進行阻抗和導納之間的轉化，在實際應用中導納圓圖適用于并聯電路；阻抗圓圖更適用于串聯電路。在實際電路調試中，在射頻信號走線上并聯電容、電感更方便、更穩定，因此本設計選用導納圓圖的方式，并聯電容、電感，實現阻抗匹配。在阻抗-導納史密斯圓圖中，歸一化阻抗與導納可以相互轉化，存在倒數關系。在導納圓圖中并聯電感、電容，可沿等電導圓移動，引起電納的變化，并聯電感、電容歸一化導納關系式為

(7)

y=g+jZ0ω0C(并聯電容)

(8)

其中，Z0為特征阻抗50Ω；ω0為阻抗匹配中心頻率的角頻率，且ω0=2πf0；g為歸一化電導；L、C分別為電感、電容值。

圖10 放大器S參數圖

圖11 輸出阻抗-導納史密斯圖

圖12 輸出阻抗匹配電路圖

4 實驗測試與分析

通過搭建如圖15所示的實驗測試平臺，使用9030A頻譜儀對頻率源的100MHz、120MHz、3GHz、本振信號的功率、雜散等參數進行實測，其頻譜如圖13中(a)、(b)、(c)、(d)所示。根據頻率源輸出信號的頻譜圖可得實測指標參數值。頻率源的所有輸出信號參數測試值與設計指標參數值對照表如表2所示，由表可得所有測試值均滿足指標要求，達到了預期效果。由于本設計采用金屬隔離壓條的方式來提高信號間串擾隔離度，使雜散抑制度達到55dBc以上，信號串擾隔離度達到70dBc以上。頻率源為雷達系統提供了高質量的輸入信號。

表2 頻率源測試數據

頻率源輸出的本振信號的相位噪聲實測圖如圖14所示。由圖可得本振信號的相位噪聲曲線平穩，在1kHz條件下的實測相位噪聲達到-100dBc/Hz。高穩晶振相位噪聲參數優于-145dBc/Hz，經過96次倍頻，理論相位噪聲計算值為-105dBc/Hz，其實測值接近于理論值，較大程度地滿足了雷達系統的要求，提高了接收信號靈敏度，為提高雷達探測精度以及雷達成像清晰度提供了硬件方面的理論方法。

圖14 本振信號相位噪聲實測圖

圖15 實驗測試圖

5 結束語

全相參頻率源使用一高穩晶體振蕩器為基準源，使不同輸出信號實現全相參；運用直接頻率合成技術的相關理論，使輸出本振信號的相位噪聲極低，達到-100dBc/Hz@1kHz，提高了雷達導引頭接收機靈敏度；采用有效的信號串擾隔離屏蔽技術，使輸出信號的雜散抑制度達到55dBc以上，信號串擾隔離度達到70dBc以上，提高了輸出信號的穩定性；借用ADS阻抗匹配仿真方法，使X波段高頻本振信號的功率高效輸出。本設計的高性能、高穩定性的頻率源對當前基于全相參雷達導引頭技術發展具有重要的應用價值。