超低空搜索雷达频率综合器的设计与实现

2011-06-22刘洪升梁文博

火控雷达技术 2011年3期

刘洪升李宏梁文博

(西安电子工程研究所西安 710100)

1 引言

某超低空搜索雷达工作在S波段，雷达工作环境既存在很强的地物回波，也会遇到来自敌方的各种有源或无源干扰。雷达需要从严重的杂波环境中分辨运动目标，要求其频率综合器具有低相噪、低杂散特性，以提高雷达的改善因子;要对付各种干扰，就还要求频综具备极短的跳频时间。

该雷达频综主要由参考频率产生器、复杂信号产生器、频标产生器、输出信号合成器以及通信、控制、故障检测等部分组成。其主要作用是为S波段雷达提供发射激励信号、本振信号和时钟信号等。

2 设计方案

2.1 方案简介

根据雷达总体技术特点，该频综采用直接式合成方法，其输出信号是在S波段，共有32个频率点。为了得到最佳的交互调抑制，减少开关、滤波器的数量，本方案在S波段的微波基准信号上进行混频，产生S波段的32个频率点输出信号。雷达频综原理框图如图1所示。

2.2 第一本振信号fL1产生

首先产生两组频标，其中微波频标有4路;中频频标8路。微波频标由晶振信号通过谐波发生器直接产生，再由电子开关和滤波器进行选频，然后经过放大，作为混频的本振信号;晶振信号再由谐波发生器产生8路信号，经分频产生中频频标信号。

微波频标与中频频标混频，得到的信号经开关选通滤波放大后，隔离输出得到第一本振信号fL1，共32个频率点。另外通过定向耦合得到测试信号。

2.3 发射激励信号fc产生

由DDS芯片AD9857产生非线性调频信号，再由晶振信号倍频后与之混频得到较高频率的非线性调频信号，再与第一本振信号进行第二次混频，产生发射激励信号。定向耦合支路为测试信号。此处进行了两次上变频，是因为芯片AD9857输出频率不能很高，输出信号直接与第一本振信号混频会产生大量的交互调频率，所需的开关、滤波器数量很多，为了减少设备量，因此该信号需要先进行上变频后再与第一本振信号混频。

第二本振信号fL2、采样时钟信号fs与定时时钟信号ft、外参考时钟信号fref与fSTC的产生较简单，只需对晶振信号进行适当的倍频、分频和滤波即可获得，此处不再赘述。

图1 频率综合器原理框图

3 产品研制的关键技术及分析

该频综在雷达系统中十分重要，它的关键技术就是低相噪设计、低杂散设计、极短的跳频时间。在该项目研制中，不论是电路设计还是电磁兼容性设计甚至印制板设计、结构设计等等都围绕如何降低相噪和杂散来考虑。因为低相噪，低杂散设计需要综合各个方面，全面考虑才能达到目的。

3.1 相位噪声

根据前面介绍的频率合成过程，主要采取了倍频、混频方式，N次倍频过程会使相位噪声恶化20logN(dB)。我们选用的晶体振荡器在偏离载频1kHz处的相位噪声优于-155dBc/Hz。中频频标信号产生过程中，由于倍频次数远低于微波频标的倍频次数，因此其相位噪声的贡献可以忽略不计。微波频标与中频频标进行混频后，这样产生S波段第一本振信号，实际上还会有约2dB附加相噪损失，经实测第一本振信号相位噪声低于-120dBc/Hz@1kHz。

发射激励信号由第一本振信号与非线性调频信号混频产生，非线性调频信号的相位噪声与第一本振信号相比可忽略不计，其实测的的相位噪声低于-120dBc/Hz@1kHz。

低相噪设计只靠一个合理的方案和一个满足要求的低相噪晶振还是不够的，还必须采取合理的电磁兼容措施，正确的印制板设计及精心的调试技术才能得以保证。

3.2 杂散

杂散的抑制主要取决于混频比的选择，使得各种交互调分量尽量少，同时必须在输出滤波器的带外，滤波器能够充分滤除交互调分量，确保输出频率高纯度、低杂散。滤波器的合理使用、电子开关的合理选用以及电磁兼容的优化设计也十分重要。

很多杂散形成不是来源于主频率通道，而是来源于逆向信号通道和耦合信号通道，所以不仅在主通道上要设置滤波器，某些情况下，逆向信号通道和耦合信号通道也必须设置滤波器，以加强信号通道之间的隔离。还有添加隔离器、衰减器后再放大等也是常用的提高反向隔离的措施。

各路信号通道之间的隔离好坏往往是决定杂散指标能否达到要求的关键。电子开关的合理选用也是提高信号通道间隔离度的重要环节，本频综使用的电子开关通断比均要求大于80dB。

进一步降低输出杂散，还需要正确的电磁兼容设计，因为信号可以通过地电流的耦合、地线的串扰和电源线之间的耦合，形成杂散信号。屏蔽措施对降低杂散也很有效。在电路系统中，使用屏蔽措施或者用吸波材料降低空间干扰，这也是降低杂散常用的方法。整个系统中，很多的信号都是通过电缆进行传输，因而电缆的性质优劣对信号质量的影响也很严重，但是传输信号电缆辐射往往被设计师们忽视。在杂散要求较高时，必须选用屏蔽更好的电缆;又由于系统空间较小，电缆在系统内的弯曲半径小，所以我们使用了低插损、高屏蔽性能、柔性优良的电缆，并认真排布了电缆束的分布和走向。

3.3 跳频时间

要求该频综的跳频时间小于1μs。跳频时间受限于各信号控制开关的响应速度和通讯、控制单元的电路延时以及滤波器响应时间。单个开关的响应速度非常快，目前的开关产品可小于200ns;通讯、控制单元是由数字电路构成的，其响应时间也是非常短的，延时小于300ns;滤波器频率响应时间为:t=2/BW，BW为滤波器通带带宽，本频综中所用的滤波器经计算 t小于 100ns。上述时间总和为600ns，满足跳频时间小于1μs的指标要求。