基于數(shù)字化FMCW無線電高度表微波組件優(yōu)化設(shè)計

北京青云航空儀表有限公司 雒紅

本文基于數(shù)字化無線電高度表測高功能模塊對微波組件進行改進設(shè)計，實現(xiàn)產(chǎn)生C波段調(diào)頻連續(xù)波、地面回波信號變頻、濾波等功能。微波組件作為無線電測高功能模塊的心臟，需要產(chǎn)生質(zhì)量良好的差頻信號供處理器進行數(shù)據(jù)分析，提高系統(tǒng)測高精度。

無線電高度表的主要功能是實現(xiàn)飛行器相對于大地表面垂直高度的測量，并對外提供符合精度要求的高度數(shù)據(jù)。無線電高度表發(fā)射信號的形式不同，系統(tǒng)的測高原理和相關(guān)的信號處理方法也不同，總體來說，發(fā)射信號可以分為連續(xù)波形式和脈沖形式兩大類。FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）高度表。該體制無線電高度表具有測量精度高、體積小、重量輕、發(fā)射功率小等優(yōu)點。隨著科技的進步，傳統(tǒng)的模擬體制的無線電高度表不僅造成設(shè)備本身體積大，重量重，測量精度低，而且也很難與其他系統(tǒng)集成綜合，所以急需一種數(shù)字化無線電高度表以解決這一問題[1]。

數(shù)字化無線電高度表由無線電高度表模塊、無線電高度表接收天線和無線電高度表發(fā)射天線組成，無線電高度表模塊由微波組件和信號處理組件組成。微波組件功能為向地面發(fā)射信號并與回波信號產(chǎn)生差頻、對差頻信號進行濾波等功能，并輸出給處理單元進行數(shù)據(jù)分析、高度解算，微波組件處理信號的質(zhì)量在測高系統(tǒng)中至關(guān)重要。本文介紹一種基于數(shù)字化FMCW無線電高度表微波組件改進設(shè)計，集成DDS合成器、數(shù)控衰減器、開關(guān)濾波器等多功能微波組件，并具備體積小、重量輕、高線性、高抗干擾性等優(yōu)點。

1 無線電測高系統(tǒng)對微波組件指標要求

1.1 功能要求

(1)將線性調(diào)頻搬移到C波段信號；(2)將C波段信號下變到10～200KHz中頻；(3)發(fā)射通道功率可控、接收通道增益可控。

1.2 性能要求

(1)輸出射頻信號：4225MHz～4375MHz；(2)輸出信號帶寬：150MHz；(3)輸出信號功率：25±1dBm；(4)DDS頻率分辨率：＜10Hz；(5)視頻信號輸出頻率：10K-200KHz；(6)視頻信號SFDR：≤-42dBc；(7)通道電壓增益：71dB±2dB；(8)噪聲系數(shù)：5dB。

2 方案設(shè)計

2.1 工作原理

基于FMCW高度表的微波組件工作原理為：

采用DDS產(chǎn)生調(diào)制周期T的線性調(diào)頻信號，即發(fā)射信號的頻率是隨時間變化的函數(shù)，經(jīng)頻譜搬移到C波段，通過發(fā)射天線輻射等幅調(diào)頻波；回波信號延遲一段時間后仍滿足該時間函數(shù)，經(jīng)地面反射后的回波信號被接收通道接收，微波組件將接收到的回波信號與同一時刻的發(fā)射信號進行混頻處理，再將混頻后的信號經(jīng)過帶通濾波后，便得到了差拍信號fb；該信號經(jīng)放大器放大、濾波，送到信號處理單元，測出差拍頻率值，則相當(dāng)于測出了延遲時間，從而求得高度；根據(jù)不同高度變化，空間衰減量也不同，為保證得到有效不失真的差頻信號，還需要通過控制發(fā)射功率、接收增益的方法，合理設(shè)計測高靈敏度，保證測高精度。如圖1所示為數(shù)字化微波組件測高原理。

圖1 數(shù)字化微波組件原理框圖Fig.1 Schematic block diagram of digital microwave module

2.2 調(diào)頻連續(xù)波產(chǎn)生

對于發(fā)射調(diào)頻信號的產(chǎn)生，目前主要有模擬VCO、PLL+VCO、FPGA(DDS核)+D/A、DDS芯片這四種方式。

(1)模擬VCO方式，這種方案用在早期的產(chǎn)品設(shè)計中，存在波形線性度質(zhì)量不好的問題；

(2)PLL芯片+VCO方式，應(yīng)用于雷達產(chǎn)品較多，主要缺點是PLL芯片方式是個閉環(huán)控制，頻率的改變需要經(jīng)歷一個鎖定過程，導(dǎo)致跳頻間隔時間較大，即頻率不能捷變，適合于頻率慢變化應(yīng)用，特別不能滿足高度表在接近零高度工作時需要快速發(fā)射大斜率信號；

(3)FPGA+D/A的方式產(chǎn)生線性調(diào)頻信號，D/A的工作頻率為1GHz，對于處理單元設(shè)計質(zhì)量要求很高。一方面1GHz高速D/A工作容易產(chǎn)品干擾信號，對IO接口的通訊不利；另一方面FPGA控制產(chǎn)生的高速D/A信號質(zhì)量不佳?？傊?，此種設(shè)計方案，會帶來處理單元的工作穩(wěn)定性不好；

(4)本方案設(shè)計綜合考慮，采用內(nèi)含14位DAC的DDS專用芯片產(chǎn)生調(diào)頻信號，同時為了避免板間傳輸對中頻信號質(zhì)量的影響，保證發(fā)射信號質(zhì)量良好的一致性及穩(wěn)定性，將DDS專用芯片置于收發(fā)單元中，處理單元通過控制接口完成信號交聯(lián)。該DDS專用芯片具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、相位噪聲低等優(yōu)點，相對于FPGA+D/A的方式可以有效降低處理單元工作頻率，降低FPGA功耗以及對處理單元信號質(zhì)量完整性的要求，有利于提高信號質(zhì)量，可滿足系統(tǒng)使用。

2.3 DDS設(shè)計

處理單元在采集差頻信號時，采用CZT法測頻，可避免出現(xiàn)“柵欄效應(yīng)”，系統(tǒng)測高方案中，設(shè)計CZT頻率分辨率為△fb0.0097KHz， 1500m處的測高精度為0.6m，為保證系統(tǒng)測高精度，需選擇分辨率小于10Hz的DDS。

DDS內(nèi)含14位DAC，支持線性調(diào)頻功能，模擬頻率輸出可到400MHz，頻率最小分辨率為0.23Hz，可滿足系統(tǒng)使用。

DDS采用外部1GHz時鐘參考源（1GHz時鐘信號由10MHz時鐘信號鎖相生成），受控產(chǎn)生150～300MHz的線性調(diào)頻信號；最小跳變時間為4ns；可采用SPI和并口通訊方式進行內(nèi) 部寄存器的設(shè)置，SPI通訊速率可到70Mbps，支持并口時鐘可到250MHz；線性調(diào)頻有DRG模式和RAM模式，DRG模式可設(shè)置為固定斜率鋸齒波，RAM模式可設(shè)置為連續(xù)執(zhí)行幾種不同斜率的鋸齒波[2]。

DDS控制器模塊完成對發(fā)射信號的實時調(diào)控，在定時模塊配合下，為了增強抗干擾特性，在跟蹤模式時在定時模塊配合下，需要對發(fā)射周期的間隔以隨機調(diào)整，定時模塊和DDS模塊的工作時序如圖2所示。

圖2 DDS控制器工作時序圖Fig.2 Working sequence diagram of DDS controller

2.4 中頻頻率設(shè)計

原設(shè)計采用FPGA控制D/A輸出中頻頻率為(225～375)MHz線性調(diào)頻信號，后更改為控制DDS輸出中頻頻率為(150～300)MHz線性調(diào)頻信號。DDS數(shù)字化實現(xiàn)的固有特點而產(chǎn)生的雜波響應(yīng)，由于DDS采用石英晶體振蕩器作為它的參考激勵源，輸出的頻率的同時，其中fc為參考激勵源，還會產(chǎn)生雜散信號f''=fc-f0等，如果選擇輸出中頻信號（225～375）MHz頻率，那必然會產(chǎn)生帶內(nèi)雜散，無法濾除，經(jīng)計算，應(yīng)設(shè)置DDS產(chǎn)生(150～300)MHz中頻信號，經(jīng)過帶通濾波器后，可有效濾除DDS產(chǎn)生的雜散信號。DDS在輸出信號150～300MHz范圍內(nèi)雜波抑制可滿足55dBc。實際測試評估如圖3所示。

圖3 DDS輸出雜散測試Fig.3 DDS output spurious test

由上圖可知DDS在出150MHz頻率時其諧波300MHz落在帶內(nèi)抑制有56.33dBc。

2.5 抗干擾設(shè)計

干擾信號分為內(nèi)部干擾以及外部干擾，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，射頻前端的帶通濾波器必不可少，抑制外來干擾的同時，也要考慮組件內(nèi) 部由于混頻、放大器件產(chǎn)生的內(nèi) 部干擾。經(jīng)分析計算，微波組件內(nèi)部產(chǎn)生的干擾信號有：

(1)由于混頻器非線性特性產(chǎn)生的高次諧波；

(2)每個調(diào)制周期開始與結(jié)束時產(chǎn)生階躍信號與振鈴：階躍信號的產(chǎn)生是由于信號突變引起，由于DDS產(chǎn)生調(diào)制鋸齒波調(diào)制信號，因此每個調(diào)制周期開始與結(jié)束時都會產(chǎn)生，當(dāng)每一個調(diào)制周期結(jié)束時，接收本振從有到無，導(dǎo)致不會混頻出濾波器帶內(nèi)的中頻信號，因此產(chǎn)生階躍響應(yīng)，同理當(dāng)每一個調(diào)制周期開始時也會產(chǎn)生階躍響應(yīng)，信號頻率為由于系統(tǒng)設(shè)置調(diào)制周期為220us，休止期為200us，所以產(chǎn)生的階躍信號頻率約2.5kHz。

綜合考慮上述雜散，鏈路設(shè)計時，需要對上述雜散信號進行衰減抑制，方式如下：

(1)混頻器產(chǎn)生的高次諧波雜散，可在發(fā)射鏈路中設(shè)計帶通濾波器；射頻濾波器主要種類有腔體濾波器、微帶線濾波器、LC集總元件濾波器、聲表濾波器、介質(zhì)濾波器。腔體濾波器功率容量最大，插入損耗低、Q值高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點；聲表濾波器體積小、通頻帶窄、重量輕等優(yōu)點，但延時較大；介質(zhì)濾波器體積小，Q值高、通頻帶窄等優(yōu)點，但存在高次寄生通帶。

本方案選用微帶濾波器，具有體積小、成本低等優(yōu)點，通過仿真軟件進行設(shè)計，能夠有效抑制混頻后產(chǎn)生的雜散干擾信號。指標參數(shù)如下：

帶內(nèi)插損：≤3.0max.

帶內(nèi)波動：1.0max.

輸入/輸出阻抗：50Ω

阻帶衰減：38 dB min.@ fo ±225MHz

63 dB min.@ 3775～3925 MHz

60 dB min.@ 4775～4925 MHz

(2)接收鏈路產(chǎn)生的階躍信號由于頻率較低，根據(jù)系統(tǒng)測高原理可知，低高度下，對應(yīng)的差頻頻率較低，階躍信號產(chǎn)生的低頻雜散將影響測高精度，需要采取開關(guān)濾波的方法。當(dāng)飛機處于10m以下高度時，開啟通道1，濾除10kHz以下低頻雜散；當(dāng)飛機高于10m高度時，開啟通道2，工作原理如圖4所示。其中通道2設(shè)計有20-200kHz有源帶通濾波器，頻譜特性如圖5所示。

圖4 開關(guān)濾波器原理圖Fig.4 Schematic diagram of switching filter

圖5 20-200kHz帶通濾波器仿真圖Fig.5 20-200kHz bandpass filter simulation diagram

3 總結(jié)

該方案設(shè)計滿足系統(tǒng)功能及性能指標，方案設(shè)計從如何提高信號質(zhì)量方面入手，對微波組件進行合理功能性能分析，確保組件的可靠性；各功能單元之間相互隔離，防止射頻信號相互串?dāng)_；將DDS置于微波組件內(nèi)設(shè)計，減少信號連接通信干擾，降低了處理單元的工作頻率，提高系統(tǒng)信號穩(wěn)定性。