某雷達頻率綜合器設計淺析

任亞欣 由法寶 于 萌 謝 敏

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

雷達頻綜技術屬于頻率源技術的一個分支，是將一個或者多個參考信號經(jīng)過一系列混頻、倍頻、分頻、濾波等，最終輸出雷達需要的頻率的過程。經(jīng)過國內(nèi)外技術人員的不斷研究和探索，頻率源技術主要包括直接式頻率合成技術(Direct Frequency Synthesize)、直接數(shù)字式頻率合成(DDS)、間接式頻率合成技術、混合式頻率合成技術。這些技術各有優(yōu)缺點，因此在實際方案設計中需要結合實際需求進行選擇和取舍，以達到指標要求為前提，綜合考慮體積、成本、進度等制約因素，最終確定頻綜方案設計。

本文以某Ku波段寬帶雷達需求為例，對雷達頻綜方案設計進行探討。

1 指標要求

某Ku波段寬帶雷達頻綜需為雷達提供各種相參基準信號、發(fā)射激勵信號、接收本振信號和接收中頻信號等。其主要功能如下：

1)以晶振信號為基準，為信處產(chǎn)生相參時鐘信號；

2)以晶振信號為基準，為收發(fā)產(chǎn)生變頻需要的一本振和二本振信號，其中二本振信號頻率選定為點頻FGHz，一本振頻率為FGHz，帶寬2G，跳頻步進100 MHz；

3)將650 MHz～1150 MHz調(diào)頻信號上變頻至Ku波段，功率放大后輸出；

4)具有自檢功能：在工作過程中能夠響應中心機的指令，將自身的狀態(tài)信息進行分類、編碼及上報；

5)輸出頻率為Ku波段，輸出相噪要求不低于90 dBc/Hz@1 kHz，輸出雜散優(yōu)于65 dBc。

經(jīng)過對需求分析可以看出，頻綜需要實現(xiàn)100 MHz的步進信號，通過變頻將調(diào)制信號上變頻到Ku波段；經(jīng)過混頻、濾波、放大等，使得輸出信號指標滿足相噪和雜散的要求；產(chǎn)生相參時鐘信號；選用功率控制器件來實現(xiàn)STC和AGC的功能；選用FPGA或者CPLD等器件來實現(xiàn)通訊、自檢狀態(tài)信息分類和編碼上報功能。

2 方案設計

在頻綜設計過程中，最重要的環(huán)節(jié)就是變頻方案的確定，因為變頻方案對頻綜的相位噪聲、雜散等各項指標都有著決定性的作用。

下面我們就變頻環(huán)節(jié)對頻綜指標的影響進一步分析。在頻譜搬移混頻的環(huán)節(jié)，可以通過以下幾種方案來實現(xiàn)：

1)兩次變頻均取上邊帶進行變頻；

2)兩次變頻均取下邊帶進行變頻；

3)先取上邊帶再取下邊帶；

4)先取下邊帶再取上邊帶。

頻綜變頻方案框圖如圖1所示。

圖1 頻綜變頻方案框圖

上下邊帶的選擇對波形斜率、雜散、相噪都會有影響。

2.1 不同變頻方案對斜率的影響

混頻在頻域上看，實際上是頻率的相加減，混頻器的輸出在沒有經(jīng)過濾波處理之前，通常輸出的頻譜圖如圖2所示。

從圖2中可以看出，在進行頻譜搬移和濾波選取的過程中，取上邊帶還是取下邊帶，會對調(diào)頻信號的斜率產(chǎn)生影響，這正是由于上下邊帶取加還是取減造成的。在信處對回波信號進行處理時需要關注斜率的正負問題。

圖2 混頻頻譜搬移示意圖

2.2 不同變頻方案對雜散的影響

頻綜設計中的雜散分析主要由頻率在混頻和放大過程中產(chǎn)生的交互調(diào)。混頻器在頻綜系統(tǒng)中主要負責頻率的搬移功能，在頻域上起加法器或減法器的作用，頻域上的加減法在時域上表現(xiàn)為兩個信號的乘積，基本模型可以描述為

(1)

式(1)中cos和cos分別代表混頻器的兩個輸入信號，只要電路中構成這兩個信號的乘積，理論上就可以實現(xiàn)頻率的加/減。

由于寬帶信號經(jīng)過功率放大后，會有諧波分量的存在。在混頻過程中，除了需要的信號存在以外，還會有諧波分量也參與混頻，所以必須經(jīng)過計算避免低階交調(diào)信號落在信號帶內(nèi)，從而避免影響最終信號的性能。而大帶寬信號在進行交互調(diào)選擇時更加困難。

上下邊帶的選擇對雜散性能的影響示意圖如圖3所示。

圖3 寬帶信號的諧波分布示意圖

從圖4可以看出，經(jīng)過混頻器后，交互調(diào)信號將會出現(xiàn)大量的混疊雜散，為了避免低階雜散落入工作帶內(nèi)，需要進行細致的頻率劃分來避免低階雜散落入工作帶內(nèi)。

圖4 與本振進行混頻后的頻譜分布示意圖

2.3 對相噪的影響

相位噪聲是短期頻率穩(wěn)定度的表征，是由多種形式的隨機噪聲源對信號的相位產(chǎn)生了調(diào)制而產(chǎn)生的，他會占用一定的頻率帶寬。在頻綜系統(tǒng)中混頻、倍頻、分頻均會對相位噪聲產(chǎn)生影響。

混頻器的相位噪聲影響：0()=1()+2()，即混頻器對兩個輸入信號的相位噪聲進行了加減運算。

倍頻器的相位噪聲影響：0()=()，倍頻器的功能是將輸入信號的頻率乘以倍頻次數(shù)，在實際電路中，不僅使輸入頻率乘以，同時還使輸入信號的相位噪聲也乘以了。

從相位噪聲的特性來看，在參考輸入頻率一定的情況下，倍頻次數(shù)越高或者產(chǎn)生越高的頻率，其相位噪聲惡化越多，相位噪聲指標越差。因此，低頻率的本振混頻能夠很好地保證相位噪聲指標。但是在滿足相噪指標要求的前提下，使用高頻率作為本振來避免交互調(diào)雜散，也是可行的。

2.4 確定方案

經(jīng)過上述分析總結出不同變頻方案對頻綜指標的影響關系，詳見表1所示。

表1 變頻方案及頻綜指標對比表

本方案設計中，由于中頻帶寬較大，雜散指標成為必須關注的重點；同時下邊帶+下邊帶的方式能夠保證輸出信號的斜率與輸入信號一致，減少斜率變化帶來的問題。因此本方案選擇了下邊帶+下邊帶的方案來優(yōu)先保證雜散的性能指標。其相噪指標經(jīng)過設計分析能夠滿足系統(tǒng)90 dBc/Hz@1 kHz的要求。不足之處是成本在幾個方案中較高。

結合現(xiàn)有的頻綜設計手段，根據(jù)雷達頻綜功能需求，對頻綜實現(xiàn)技術方案進行分析，如表2所示。

表2 雷達頻綜實現(xiàn)技術方案分析表

2.5 工程樣機結果

經(jīng)過工程驗證，產(chǎn)生的信號雜散指標如圖5所示。

圖5中分別抽取了高、中、低三個頻點進行測量，可以從測量結果看出，輸出信號的雜散指標在觀測帶寬范圍內(nèi)達到70 dBc，滿足指標≤65 dBc的要求。

圖5 頻率綜合器輸出信號測量圖

3 結束語

實際設計過程中，需要對體積、成本、指標、周期等綜合考慮。針對雷達頻綜指標要求，設計多種實現(xiàn)方案，根據(jù)實際情況選擇合適的方案來實現(xiàn)指標。如果指標要求中某項關鍵指標特別苛刻，為了關鍵指標的實現(xiàn)，對應的可選方案也會有限。合理的頻率源設計不僅能夠滿足各項技術指標，還應考慮可靠性、電磁兼容、經(jīng)濟價格、體積、重量、功耗及使用環(huán)境等多方面問題，需要綜合考慮取舍來確定方案。