某相控陣雷達S波段頻率合成器設計

李國清 柏光東

(華東電子工程研究所 合肥 230031)

1 引言

隨著電子技術的不斷發展，各類電子系統對頻率合成器的要求越來越高，尤其是對相位噪聲、跳頻時間、體積及功耗的要求越來越高。對于大型相控陣的雷達來說，頻率合成器的重要性不言而喻，頻率合成器的性能好壞決定了雷達接收機性能的好壞。而在雷達天線陣面上，電磁環境比較惡劣，頻率合成器的性能更可能變差，從而嚴重影響整個雷達的技戰術指標。因此在雷達頻率合成器的電路設計中，一定要對強干擾信號加以控制或抑制，并在電磁兼容上綜合設計，從而改善雷達的整體性能。

頻率合成器是利用各種頻率合成技術來產生所需要頻率的一種器件，頻率合成形式一般分為以下形式:直接頻率合成(DS)、鎖相環頻率合成(PLL)、直接數字合成(DDS)。其中DS因為成本高、體積大現已較少使用;PLL因其較寬的輸出頻帶、優良的頻譜純度等有廣泛應用，但頻率捷變困難;DDS則有超快的捷變速度和極高的頻率分辨率，不足之處為輸出帶寬有限。本文通過對頻率合成器的設計指標和雷達電磁環境分析，采用了全相參直接數字合成的設計方案，結構形式上采用雙層屏蔽，可抑制較強的電子干擾。

2 技術指標要求及分析

頻率合成器的指標要求如下:

本振和射頻信號全相參;跳頻時間小于2μs;頻率范圍為:帶寬300M;60個頻點;

一本振輸出信號幅度23±2dBm;二本振輸出幅度信號20±2dBm;

一本振雜波抑制≥60dB;二本振雜波抑制≥60dB;

單邊帶相位噪聲≤ －115dBc(偏載頻 kKHz處);

二本振電路體積小于200×100×50(mm)，其他電路體積小于300×300×100(mm)。

關鍵指標分析:超低空雷達面臨很強的地雜波，因此想要從強的地雜波當中分離出有用目標，雷達必須要有很高的改善因子，而MTI兩次對消后的改善因子又由下式決定:式(1)中，B為接收機中頻帶寬(單位Hz);Sφ(f)為單邊帶相位噪聲(dBc/Hz);τ為發射脈沖到接收回波之間的時間(單位s);T為發射脈沖周期(單位s)。因此雷達改善因子和相位噪聲直接相關，在設計時除了考慮振蕩器的相位噪聲外，還要盡量避免熱噪聲、量化噪聲等引起相位噪聲的惡化。在時域中，相位噪聲表現在正弦波零點交叉處的抖動，如圖1所示。

圖1 時域中的相位噪聲

當頻率較高或者信號純度高時，在時域上就很難加以分辨。在頻域中，相位噪聲則表現為載頻處的噪聲邊帶。如圖2所示。

圖2 頻域中的相位噪聲

在規定載頻處的單邊帶相位噪聲常常用對數曲線來表示。在頻率軸上采用對數刻度，可以很方便的顯示大范圍頻偏的相位噪聲。

電磁環境分析:當雷達陣面上所有的發射機同時工作時，峰值功率能夠達到幾十甚至上百千瓦，空間耦合的信號非常強;而S頻標信號從電子方艙經過連接射頻電纜送到陣面的低功率鉸鏈，然后再送到放大分配。這么長的傳輸線容易產生長線效應，極易接收到發射機泄露的信號;且低功率鉸鏈的接地性能和電磁屏蔽性能有個體差異。干擾信號也很容易影響到電源，從而進一步影響頻率綜合器信號的頻譜純度。為了獲得相對準確的數據，使用頻譜儀通過一個測試天線測試干擾信號，測試結果證明，干擾信號最高能達到0dBm左右。

溫濕度環境分析:陣面上的設備基本上都是露天放置，溫濕度環境也很惡劣，尤其是夏天時組件表面的溫度能達到50℃以上。

3 設計方案及原理

本合成器采用全相參直接數字合成技術。為實現整機本振和射頻信號的全相參，所有射頻信號選用同一個晶振源。其中本振電路主要由一本振電路和二本振電路組成，一本振電路直接對輸入信號放大后分兩路輸出;由于雷達體制的原因，二本振電路則先對輸入的頻標信號進行分頻，然后再放大和濾波后輸出。

3.1 一本振設計方案

本系統的接收機為超外差二次變頻接收機，一本振共計60個頻點。具體電路方案如下:80M信號經過分頻、倍頻、濾波等一系列處理后形成兩個頻標，p頻標和s頻標，然后再通過混頻器混頻形成需要的本振信號，如圖3所示。混頻器是非線性器件，它的動態范圍、隔離度、變頻損耗等對系統的動態范圍、本振隔離、靈敏度等有著非常大的影響。因此選擇合適的混頻器是很重要的。本方案采用雙平衡混頻器，故非線性失真小，還可以降低后面的濾波器的選用要求，從而能把電路做的體積更小，集成度更高。

圖3 一本振組成框圖

頻率綜合器的跳頻時間主要由跳頻控制電路和高速模擬開關共同決定的。在開關后選擇窄帶濾波器(即聲表濾波器)也影響跳頻時間。控制電路(EPLD)和高速模擬開關(GaAs)的開關時間一般都在ns量級。對濾波器要求是在滿足指標的情況下盡量放大帶寬。

3.2 二本振的設計

二本振信號為單點頻信號，其具體方案為:來自電子方艙的3520MHz頻標信號經一段射頻電纜送入二本振電路，經過放大、分頻、濾波后產生二本振信號。該信號經一分三功分器功分后，其中兩路分別經放大、電阻衰減網絡匹配、濾波等電路后送出功率不小于20dBm的二本振信號，另一路則送入故障檢測電路中，用于判斷二本振功率是否正常。雖然是單點頻信號，但二本振的工作在陣面上，干擾強度大，設計難度大。本方案分頻芯片選用HITTITE公司的HMC系列(最高工作頻率可達12G)，為保證分頻芯片能工作在最佳狀態，特選用砷化鎵集成放大器對輸入信號進行放大，它的特點是增益大，雜波抑制指標好，如圖4所示。

圖4 二本振組成框圖

為了盡量避免信號在電纜中傳輸的干擾，在電路的輸入端先選用一個介質濾波器(BW1dB:≥25MHz;插入損耗:≤7.5dB;帶外抑制:≥70dB@f0±80MHz)進行濾波，濾波器選用與不選用的效果相差很大，我們做了一個試驗進行驗證:用兩臺信號源，一臺模擬S頻標信號，一臺模擬發射機泄露信號，幅度設置為－20dBm左右，然后通過一個二合一合成器合成后，送到放大分配的輸入端，如圖5所示。

選用濾波器前后的頻譜對比情況圖6所示，因此濾波器的選用非常必要。

為了提高增益，本振輸出支路采用兩級放大電路，為了保證輸入端的P－1指標，還應設計衰減網絡把多余的增益衰減掉。這種設計看似復雜，但是卻可以利用兩級放大器的反向隔離和衰減器的鏈路損耗，提高射頻電路的反向隔離度。當然，使用隔離器也能實現一定程度的反向隔離。但相比較而言，本方案具有尺寸小、成本低、隔離度更高的優點，而且便于系統一體化集成。最終二本振電路尺寸為150×100×30(mm)。

4 工程設計關鍵點及實驗結果

4.1 電源電路設計

直接數字合成的本振電路中有模擬和數字分頻等電路，當數字電路為高頻跳變的電流作用時，都會產生一些新增頻率成分即雜散，其頻譜相當寬，在它們具有共同電源和地線或共用一塊印制板時，這些頻率成份會通過混頻器進入模擬電路產生干擾，再加上射頻干擾通過饋電線、空間輻射、印制板耦合等，所以為了盡可能保持頻譜的純凈，采用鉭電容+電感組合去除高頻信號的濾波方式，在實際數字集成電路的每一級電源都應有0.1μF或0.01μF的濾波電容跨接到地。為盡量減小干擾，電源上采用數模電路分開供電，振蕩電路一定要有很好的接地及屏蔽，必要時在信號輸出端加一個帶通濾波器。

實現理想的低功耗比較困難，需要從指標要求、體積、成本等復雜的折衷權衡問題。綜合考慮，本次電路選用MC7806BT的高能低耗型穩壓電路，代替傳統的電阻分壓分流方式，既能保證指標要求，又能最大限度的進行降耗處理。

4.2 電磁兼容和結構設計

由于陣面上的電磁環境比較惡劣，因此，電磁屏蔽技術是結構設計的關鍵技術之一。電磁屏蔽按屏蔽對象不同分為主動屏蔽和被動屏蔽，主動性屏蔽是屏蔽干擾源，以限制其有害的電磁能量向外發射;被動性屏蔽是屏蔽敏感設備，減少外部電磁干擾影響是屏蔽敏感設備，以減少外部電磁干擾影響其正常工作。

我們知道凡是場干擾都可以用屏蔽的方法來削弱其影響。影響屏蔽完整性的因素是屏蔽體的接縫泄漏，其強度表達式:

式(2)中H為從縫隙漏出的磁場強度(單位A/m);H0為縫隙屏蔽的磁場強度(單位A/m);t為縫隙深度(單位m);g為縫隙寬度(單位m)。

由此可見，對頻率合成器電路而言屏蔽設計的關鍵是保證殼體的密封性、導電性。據此，我們在電磁兼容和結構設計上采取以下措施，以降低干擾源到具體電路的電磁輻射干擾。

圖7 電路結構實物圖

頻率合成器電路的殼體采用導電性能良好的一整塊鋁板扣出，避免了通孔和縫隙帶來的密封性問題。用導電性能良好的鋁殼體將一本振和二本振包圍起來，以隔離其與外界電的、磁的或電磁的相互干擾，尤其是外界對它的干擾;一本振電路和二本振電路分別放在不同的模塊中并用鋁板隔開，如圖7所示。

殼體的蓋板處采用扣槽填導電密封條的方法進行密封，扣槽深度較深且窄，以減少接縫泄漏，必要時可在蓋板四周貼裝吸波材料;蓋板的螺釘間距小于發射頻率的二分之一波長，蓋板與殼體四周接觸處以及螺釘孔噴涂導電材料，以保證蓋板和殼體的可靠接觸。

殼體的對外接輸入輸出接口等射頻連接器均采用螺紋密封連接，避免采用快速的盲配等卡口連接方式而帶來的連接縫隙。接插件之間的連接縫隙會嚴重降低殼體的屏蔽特性。

頻率合成器信號的輸入輸出電纜均選用雙層屏蔽電纜，電源等控制信號電纜選用帶屏蔽層的雙絞線ASTVRP系列，多根雙絞線外層再加上一層屏蔽套管。

4.3 實驗結果

電路經過調試后，指標測試符合要求，部分指標測試情況如表1所示。

表1 本振測試結果

跳頻時間測試結果:1.3μs，滿足設計要求，如圖8所示。

從圖9中可以看出，一本振單邊帶相位噪聲:1kHz處 接 近 －120dBc/Hz，100kHz處 接 近－130dBc/Hz，雜波抑制都≥60dB，達到了設計要求。

5 結束語

本文通過對某相控陣雷達陣面的電磁環境進行詳細分析，根據技術指標要求，對一本振和二本振電路進行了具體的設計和分析，尤其是對本振電路的電源和電磁兼容等關鍵點設計進行了詳細論述，有針對性的采取了解決措施。頻率綜合器的設計，總體上滿足設計指標要求，具有高頻率穩定度、低相位噪聲、快頻率捷變時間、體積小、集成度高、抗干擾性能強等特點，對同類型的設計有借鑒意義，有一定的推廣價值。

[1]張偉峰.振蕩器頻率不穩定的因素及穩定方法[J].信息通信，2011，5:115 －117.

[2]尹華僑，蔡偉營.某相控陣雷達發射校正系統的電磁兼容設計[J].中國科技信息，2008，20:40～41.

[3]Brian Cheng.射頻通信測試中的信號發生器頻譜純度分析[J].現代電信科技，1999，9:26～30.

[4]張琳.S波段直接全相參頻率源的研制[J].現代電子，1996，3:43 ～49.

[5]GAO Shuting，GAO Feng，XU Shengwang，et al.The Design and Analysis of Synthesized Frequency Source[M].Beijing:Ordnance Industry Press，2008.

[6]Jerome L.N.，Bhavana T.，Jonathan M.A.，1.9 GHz Low Noise Amplifier[C]//EECS 522 Analog Integrated Circuits Project.2002:1 －6.