寬帶線性調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生

任亞欣

（西安電子工程研究所，陜西 西安710100）

寬帶線性調(diào)頻信號(hào)因具有較高的目標(biāo)檢測(cè)能力、良好的目標(biāo)識(shí)別能力、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)及探測(cè)領(lǐng)域受到了高度重視。如何產(chǎn)生高質(zhì)量的寬帶線性調(diào)頻信號(hào)是科研工作者的研究課題。寬帶線性調(diào)頻信號(hào)作為寬帶信號(hào)的典型代表，其應(yīng)用范圍非常廣泛，產(chǎn)生寬帶線性調(diào)頻信號(hào)的方式也多種多樣，各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)不同的使用場(chǎng)景，結(jié)合項(xiàng)目背景等選擇最適合的產(chǎn)生方式來實(shí)現(xiàn)。本文總結(jié)當(dāng)下使用較多的幾種產(chǎn)生方式，比較他們的優(yōu)缺點(diǎn)后，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用需求，選用DDS+倍頻的方式，產(chǎn)生寬帶線性調(diào)頻信號(hào)，并對(duì)工程應(yīng)用中遇到的問題進(jìn)行分析和總結(jié)，最終達(dá)到使用指標(biāo)要求。

1 產(chǎn)生方式及比較

寬帶線性調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生可以分為兩大類，即模擬法與數(shù)字法。

模擬法是在數(shù)字器件沒有崛起之前，依靠傳統(tǒng)模擬器件實(shí)現(xiàn)的信號(hào)產(chǎn)生方式，其又可分為有源和無源兩種方法。有源法是采用線性鋸齒形電壓控制壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生LFM 信號(hào)，也可采用鎖相環(huán)來實(shí)現(xiàn)。無源法產(chǎn)生LFM 中最常用的是色散延遲線（或者聲表波SAW 器件）來實(shí)現(xiàn)。無論是采用有源還是無源模擬方式產(chǎn)生LFM 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)都有體積龐大、靈活性差、調(diào)試與維護(hù)復(fù)雜等問題。從信號(hào)形式看，模擬法主要用于產(chǎn)生一些簡(jiǎn)單的LFM 信號(hào)，對(duì)產(chǎn)生大瞬時(shí)帶寬LFM 信號(hào)方面存在諸多困難，難以滿足現(xiàn)代雷達(dá)高調(diào)頻線性度、高穩(wěn)定性、多模式工作體制的要求。因此現(xiàn)在在工程實(shí)踐中，很少選用模擬的方式來實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字法主要有DDS 直接產(chǎn)生法、DDS+倍頻擴(kuò)展頻帶法、DDS 上變頻擴(kuò)展頻帶法、DDS+PLL 擴(kuò)展頻帶法、多路DDS 并行合成法。

1.1 DDS 直接產(chǎn)生法。有兩種分類：第一種數(shù)字中頻直接產(chǎn)生，特點(diǎn)是從數(shù)字系統(tǒng)的誤差分析入手，合理選擇系統(tǒng)的采樣頻率、量化位數(shù)，優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)噪聲與電磁干擾；第二種數(shù)字基帶+正交調(diào)制，特點(diǎn)是除了分析數(shù)字系統(tǒng)引入的誤差外，還應(yīng)考慮正交調(diào)制器帶來的影響，主要有：幅度不平衡、相位不平衡和直流偏置。一般建議正交調(diào)制的載波泄漏和鏡像抑制控制在-30dBc 以下，I、Q 兩路的幅度不平衡＜0.5dB，相位不平衡＜2°。

1.2 DDS+倍頻器擴(kuò)展頻帶法。特點(diǎn)是：倍頻不僅能擴(kuò)展信號(hào)帶寬，而且還能提高信號(hào)的中心頻率。產(chǎn)生信號(hào)的性能會(huì)受到倍頻環(huán)節(jié)中非理想特性的影響，如倍頻器失真、濾波器和放大器的不匹配等。

1.3 DDS 上變頻擴(kuò)展頻帶法。特點(diǎn)是：分析時(shí)應(yīng)注意上變頻器的輸出功率和變換效率。當(dāng)對(duì)線性度要求較高時(shí)，可以適當(dāng)犧牲一些輸出功率和效率，保證線性度指標(biāo)。

1.4 DDS+PLL 擴(kuò)展頻帶法。特點(diǎn)是：通過PLL 鎖相倍頻可獲得低噪聲、低雜散、高頻譜純度和高捷變頻波形。使用這種方式時(shí)應(yīng)注意對(duì)鎖相環(huán)路參數(shù)、傳遞函數(shù)、相位噪聲及雜散分布特性的分析。

數(shù)字產(chǎn)生寬帶線性調(diào)頻信號(hào)的核心是DDS（直接數(shù)字頻率合成），因此，此種方法能夠靈活的對(duì)產(chǎn)生波形的初始相位和頻率進(jìn)行控制，較模擬產(chǎn)生方法有很大的靈活性和適應(yīng)性。基本能夠滿足雷達(dá)對(duì)波形使用的要求。但其輸出帶寬受限于器件的最高工作頻率，因此需要結(jié)合輔助手段對(duì)工作帶寬進(jìn)行擴(kuò)頻。

2 工程實(shí)現(xiàn)

根據(jù)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生方法，結(jié)合具體項(xiàng)目的實(shí)際情況，我們最終選擇第二種方法，即DDS+直接倍頻的方法來產(chǎn)生需要的寬帶信號(hào)。然后再跟毫米波信號(hào)進(jìn)行上變頻，最終實(shí)現(xiàn)毫米波段的寬帶信號(hào)33GHz～37.8GHz。

首先，DDS 直接產(chǎn)生500MHz～800MHz，帶寬為300MHz 的寬帶信號(hào)，先經(jīng)過放大和2 倍頻，對(duì)頻率和帶寬進(jìn)行第一次擴(kuò)展，擴(kuò)展到1000～1600MHz，此時(shí)帶寬為600MHz。這里需要進(jìn)行先濾波，將倍頻過程中產(chǎn)生的多余諧波信號(hào)進(jìn)行濾除，然后經(jīng)過放大器，對(duì)倍頻和濾波過程中的功率損耗進(jìn)行補(bǔ)償。再進(jìn)行2 倍頻和濾波，得到2000MHz～3200MHz，帶寬8000MHz～12800MHz，帶寬為4800MHz 的寬帶信號(hào)。后面再經(jīng)過兩級(jí)類似的放大濾波，得到最終需要的4.8GHz 的寬帶信號(hào)。

整個(gè)倍頻和放大鏈路中，共進(jìn)行了16 倍頻、放大、濾波，倍頻鏈路的分布為4 級(jí)二倍頻，并且每次二倍頻之后都會(huì)有對(duì)應(yīng)的濾波器對(duì)多余的諧波和雜散進(jìn)行濾除，保證信號(hào)的雜散指標(biāo)，同時(shí)為了使倍頻器能夠正常工作，在每級(jí)濾波之后都使用放大器和衰減器對(duì)功率進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償（圖1）。

圖1 寬帶倍頻工程實(shí)現(xiàn)框圖

該實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單直接，能夠有效的減少硬件用量，需要關(guān)注的是倍頻鏈路的設(shè)計(jì)和放大器與濾波器之間的匹配設(shè)計(jì)，選擇合適的濾波器對(duì)倍頻過程中產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制，保證最終輸出寬帶信號(hào)的頻普純度。

3 問題分析及解決

工程實(shí)踐中遇到的問題歸納下來主要有：（1）帶內(nèi)功率平坦度不夠±1.5dB；（2）諧波分量功率較大，線性度指標(biāo)由DDS 器件特性進(jìn)行了保證，基本達(dá)到使用要求。

3.1 帶內(nèi)平坦度不足（圖2），可能的原因有：（1）產(chǎn)生波形源本身不平；（2）濾波器不匹配帶來的不平；（3）各級(jí)間放大器帶來的不平；（4）無源倍頻器輸入功率不足帶來的不平；（5）其他可能的原因帶來的不平。（1）經(jīng)過對(duì)DDS 輸出波形的測(cè)量，其輸出波形的功率起伏在1dB 范圍內(nèi)，符合器件本身的特性要求，因此該條故障可能被排除；（2）濾波器進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量其輸入輸出特性，測(cè)量結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，即帶內(nèi)功率起伏≤1dB 指標(biāo)，因此該故障可能也會(huì)排除；（3）由于倍頻器級(jí)聯(lián)之間使用放大器進(jìn)行功率補(bǔ)償，放大器增益較高，在分級(jí)測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)，倍頻后的放大器輸出功率起伏較大，超出指標(biāo)要求±1.5dB 的范圍，進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)此處駐波較差，導(dǎo)致輸入到無源倍頻器的功率起伏較大，可能是引起波形帶內(nèi)功率平坦度超過設(shè)計(jì)指標(biāo)的原因。因此對(duì)電路進(jìn)行微調(diào)，并配合吸收橡皮的使用，最終將功率起伏控制在指標(biāo)范圍內(nèi)；（4）經(jīng)過倍頻器級(jí)聯(lián)的調(diào)試，對(duì)無源倍頻器的輸入功率得到改善，滿足無源倍頻器的輸入功率要求，最終輸出功率起伏在指標(biāo)要求范圍內(nèi)；（5）其他有可能引起功率起伏的原因還有各級(jí)級(jí)聯(lián)匹配、連接穩(wěn)定性、濾波器接地性能等。在工程實(shí)踐中也是會(huì)引起功率起伏過大的原因。

圖2 帶內(nèi)平坦度不足

3.2 諧波分量功率較大（圖3），可能的原因有：（1）濾波器帶外抑制不夠。濾波器帶外抑制主要由濾波器自身的特性決定，濾波器一旦設(shè)計(jì)定型，只要濾波器裝配良好（包闊射頻通道連接良好和濾波器接地良好兩方面），其帶外抑制特性基本穩(wěn)定，因此排除濾波器帶外抑制的可能。（2）倍頻器諧波抑制指標(biāo)超差。倍頻器在選型過程中，關(guān)注其諧波抑制特性，能夠滿足使用要求，在裝配可靠的前提下，倍頻器引起的諧波指標(biāo)超差也可以排除。（3）放大器處于飽和或過飽和狀態(tài)。放大器飽和會(huì)對(duì)信號(hào)諧波引起較大惡化，經(jīng)過逐級(jí)測(cè)量后，發(fā)現(xiàn)放大器在增益級(jí)聯(lián)過程中有存在飽和放大的可能，因此在放大鏈路中對(duì)各級(jí)放大器增益和損耗重新計(jì)算測(cè)量，對(duì)存在飽和的放大器輸入功率進(jìn)行衰減，使其工作在線性區(qū)，保證信號(hào)不被飽和放大。經(jīng)過功率調(diào)節(jié)，最終輸出信號(hào)諧波指標(biāo)滿足指標(biāo)要求范圍。

圖3 諧波分量功率過大

經(jīng)過對(duì)電路的分析和逐級(jí)排查，對(duì)可能存在的隱患進(jìn)行調(diào)試和調(diào)整，最終將寬帶信號(hào)的平坦度控制在了±1.5dB 范圍，諧波分量控制在-30dBc 范圍，滿足工程使用要求（圖4）。

圖4 調(diào)試完成后測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

在進(jìn)行寬帶線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行斟酌篩選,包括體積、功耗、成本、項(xiàng)目周期等，選擇最適合的方法。然后在工程實(shí)踐過程中，對(duì)該方法有可能存在的缺陷和漏洞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足使用要求為目標(biāo)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，才能得到最優(yōu)結(jié)果。