高性能Ku波段線性調頻雷達的研究與設計

王貝貝，王志鵬

（1.江蘇師范大學 江蘇圣理工學院，江蘇 徐州 221116；2.天津大學 微電子學院，天津 300072）

0 引言

連續波雷達是一種運用連續信號獲取目標物距離的雷達體制，其中線性調頻連續波雷達由于具有高分辨率、無距離盲區、輻射功率小等優點，被廣泛應用在國防軍事、民用系統中[1]。通過直接數字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS）技術，既能減小物體尺寸，又能獲得高分辨率、頻譜純凈、掃頻時間短的連續波信號。但DDS輸出頻率最高只能達到參考時鐘的40%，遠遠不能滿足雷達發射所需的頻段。

本文通過DDS與鎖相環（Phase Locked Loop，PLL）技術相結合的方法，獲得Ku波段的雷達激勵信號，并經功率放大器放大后發射出去。該模塊集成了發射通道、接收通道、I/Q通道以及ADC采樣系統，并通過在鏈路中加隔離器來防止信號竄擾，由此設計出一款便于攜帶的一體化雷達系統。

1 系統設計方案

Ku波段抗微波輻射能力強，不易受外界環境的干擾，因此被廣泛應用到雷達系統中。目前有多種途徑可以產生該頻段的調頻信號，其中應用最為廣泛的是小數分頻PLL，但該方法在相位噪聲、跳頻時間、雜散抑制以及線性度方面存在局限性，已經不能滿足當代電子對抗對高性能雷達的要求。為了實現高性能Ku波段線性調頻雷達的設計，獲取所需要的Ku波段發射激勵信號，本設計擬運用DDS和PLL相結合的方法，將兩種技術優勢相結合，在獲得高頻信號的同時，避免相位噪聲的惡化[2]。

雷達系統的總體設計方案如圖1所示。本設計選用100 MHz時鐘源為兩路PLL芯片提供參考，其中一路經過鎖相環芯片HMC783上變到11.6 GHz作為本振信號。另一路經過HMC833上變到2.5 GHz，該高頻時鐘為DDS提供參考。進入DDS芯片AD9915并輸出帶寬100 MHz、掃頻時間2 ms的調頻信號，通過混頻器后，產生雷達需要的12.3～12.4 GHz的射頻信號。為了縮小系統尺寸、提高可攜帶型，本設計將發射和接收通道集成到一個模塊中，通過把射頻信號功分兩路，一路經功率放大器放大后發射出去，另一路與接收到的回波信號進行混頻，下變到易于處理的兩路基帶信號-同相分量和正交分量。為了準確獲得I/Q信號中的多普勒信息，接收到的模擬信號經過ADC采樣把數字信號傳輸到處理器中進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT），解析出需要的距離信號，克服了模擬正交相檢技術受器件自身性能影響大的弊端，提高了I/Q信號幅度相位的一致性。該雷達總的設計尺寸為148 mm×118 mm。

圖1 雷達系統整體設計方案

2 調頻信號單元設計

本設計的關鍵部分是調頻信號電路的設計。通過調頻信號的帶寬和掃頻時間可以理論算出所測目標物的距離信息。推導如下：

式中：f1、f2是由DDS產生的掃頻信號的上限和下限頻率?？赏ㄟ^控制單元改寫DDS中的寄存器的值來改變輸出掃頻信號的BW上限和下限，二者相差求出掃頻帶寬，T為掃頻時間，由寄存器的取值決定，進而求得DDS產生的非駐留斜波斜率k。射頻信號從發射到接收所用的時間為Δt，由式（3）求得發射信號與反射信號混頻后的差頻信號，用光速c距離R代入式（4），推導出需要的雷達測距 公式。

掃頻信號的步進時間影響了雷達測距的精度，通過DDS斜率步進間隔公式計算出最小頻率步進間隔：

參考時鐘fsysclk由鎖相環HMC833產生的 2.5 GHz信號提供，P是DDS內部寄存器的取值，為了達到最小的頻率掃描步進，通過控制芯片寫入寄存器為1，代入公式求得，雷達系統最小掃頻步進間隔時間為9.6 ns。測得DDS產生的線性掃頻信號與PLL生成的11.6 GHz混頻后的雷達激勵信號如圖2所示，其中DDS掃頻時間控制在2 ms，掃頻上限設置800 MHz，下限設置為700 MHz。

圖2 輸出雷達激勵信號測試圖

3 I/Q通道的設計與理論分析

雷達信號經過物體反射后，由天線接收后與發射信號混頻，得到兩路相互正交的基帶信號，經過I/Q通道后進入ADC芯片進行采樣[3]。假設在一個掃描周期T內，第n個脈沖信號可表示為：

式中：f0是雷達激勵信號的起始頻率。經過物體反射后接收到的脈沖信號為：

式中：A(t)代表信號的幅度，回波信號與發射信號混頻后經過低通濾波器后得到的信號為：

包含后續處理的I/Q信號，對其中一路進行 分析：

通過歐拉公式計算求得：

對獲得的信號進行傅里葉變換獲得離散距離譜，經過主控芯片計算出不同差頻信號對應的幅值，如圖3所示。

圖3 差頻信號對應幅值信息

由圖3可以看出幅度值在28 kHz附近時有一個高峰，代入式（5）可以求出此處差頻信號所對應的目標物的距離，高峰值后面的次峰值是由干擾物以及多次反射造成的，可以通過軟件濾波去除。串口以ASCII碼的格式把處理后的信息打印出來，如圖4所示。

圖4 差頻信號對應距離信息

通過圖4可以看出，所測目標物距離在84 m附近，最小精度可以達到3 m。

4 系統的總體裝配以及實驗平臺的 搭建

考慮到電磁兼容的問題，在設計電路時，要著重減小信號之間的串擾，腔體隔腔的合理設計可以很好地避免不同信號之間的相互影響。在混頻之前，信號還處于低頻階段，PCB板可以選用4350B，混頻之后信號達到了Ku波段，需要選用高頻板材料，這里選擇羅杰斯5880。由于發射和接收通道在一個模塊上，需要在通道之間添加隔離器來增加隔離度，在發射通道的末端添加功率放大器把激勵信號放大發射出去，這里選用2 W的功放FMMC5618?？傮w電路的設計如圖5所示。

圖5 雷達系統的總體布局

實物裝配完成后，使發射和接收天線朝向對面的大樓來測量大樓的距離，并利用示波器來測量接收到的波形信號。實驗平臺如圖6所示，完成對雷達系統的整體調試工作。

圖6 雷達系統測試平臺

5 結語

本文提出并設計了一款便于攜帶的線性調頻雷達系統，工作在Ku波段，工作帶寬100 MHz，掃頻時間2 ms，發射激勵信號功率2 W，很好地滿足了短距離測試的需求。利用DDS產生連續波形，高度集成化的電路設計，極大地縮小了整機尺寸。通過實驗平臺的搭建測試，測得兩樓之間的距離為 84 m，驗證了雷達系統的可行性。