毫米波雷达频率源设计

张文宝+白珂

摘要：毫米波雷达是一种在毫米波波段进行工作和探测的雷达，它具有波束窄、质量轻、空间分辨率高的特点，穿透烟雾或者尘土的能力比较强，因此目前在我国许多的重要军用系统之中有所应用。本文就对毫米波的特点以及频率源的工作原理进行了简介，并提出了毫米波雷达频率源的设计方案。

关键词：毫米波雷达；频率源；工作原理；设计

毫米波频率源是毫米波通信系统之中的关键部件，因此在科研领域始终占据重要位置。我国的毫米波频率源的研究相对于外国较为落后，它的研究始于80年代，在90年代开始得到了关注，而如今我国的毫米波技术已经有了明显的进步。

一、毫米波的特点

毫米波的传播和大气特征有着巨大的关系，它具有传播衰减的特性，与红外、激光、微波和光波等相对比，它具有如下特点：

1.相较于光波和红外，毫米波可以更好地穿过烟雾、尘埃等介质，因为它在穿过等离子体，损耗更低；

2.毫米波段会根据频率的不同而在大气中呈现不同的传播衰减特性；

3.毫米波对目标的外形细节十分敏感，这是由于其散射特性；

4.毫米波的缺点是波长比较短，因此更容易受到干扰、衰减和吸收的影响，作用距离会产生变化。

综合上述特点，毫米波一般被用于毫米波通信系统、雷达制导系统等多方领域。

二、频率源技术原理简介

频率源技术就是通过一系列混频、倍频与分频等的操作，将一个或多个参考信号输出为一个或多个具有相同频率稳定度的过程，在这种操作之中，需要保证输出信号频率、幅度与相位等参数是可调的。随着科技的发展，人们对于频率源的要求越来越高，频率源不仅需要频率稳定度高、相位噪声低、相位杂散抑制能力强，还需要有良好的抗干扰能力以及抗截获性并且调频速度要快。目前，频率源技术主要包括四种技术，分别是直接式合成技术（DS）、直接数字式频率合成（DDS）、间接式频率合成和混合式频率合成技术。其中，直接数字频率合成技术（以下简称DDS）在我国应用较为广泛。

DDS通过频率来控制字、相位累加器、相位-幅度变换器，也就是由ROM查找表、DAC和低通滤波器等组成。它的工作原理是，相位累加器在参考时钟的驱动之下，按照预设的频率对控制字FTW进行线性累加，它输出作为正弦查找表的地址，然后依据此寻找ROM表，再把相位-幅度变换器中的相位信息转为幅度信息，数字信号需要通过数模转换器转化成模拟信号，最后再由LPF平滑处理来输出正弦波信号。FTW决定了DDS的输出频率，相位累加器位数决定了DDS的分辨率。相位累加器可以在数字域做的比较高，所以，相较于传统频率合成技术，DDS在分辨率上更具有优势。

三、毫米波雷达频率源方案设计重点

1.毫米波雷达频率源系统的设计关键点主要在于要产生雷达激励信号（以下简称LFM）并且应当可以输出毫米波，一般来讲，DDS是LFM最常用的产生信号方案，DDS的跳频速度更为优秀，分辨率更好，但是低频输出会对它的单独使用产生限制，因此，为了将输出频率迁移到毫米波频段需要采用一些技术手段，如下：

（1）锁相环间接倍频可以将频谱进行迁移，但是锁相环会对相位噪声进行恶化，而且通过这种方法，锁相回路（以下简称PLL）的输出频率很难到达毫米波频段，所以这种方法并不适合将输出频率迁移到毫米波频段频谱；

（2）想要将频谱搬移到毫米波频段，如果采用倍频器多次倍频，将会对信号频谱纯度产生影响，那么可以判断，多次倍频是不能达到相位噪声的基本要求的；

（3）假如采用多次混频的方式将频谱迁移到毫米波频段，那么我们可以保证混频对系统相位噪声的影响相对较小，多次混频还可以越过增加倍频器的步骤。

因此，想要实现毫米波LFM信号的输出可以采用DDS和PLL环外二次混频+毫米波混频的方式，这种方法可以在各个方面较好满足LFM信号的输出需求。

2.毫米波雷达频率源系统设计的另一个关键点就是需要有一路高性能的毫米波本振信号，本次设计采用的方式视PLL+倍频，主要是采用倍频器，将一个单环PLL输出点频微波信号，最后输出到毫米波频段本振信号。

也就是说，混合式频率合成技术方案是最终整机系统的确定性方案，多节频谱的迁移将会以混频器为迁移基础。

3.关于频率配置与电平规划。针对目前整机之中频点输出较多的情况，必须要在进行电路设计之前对频率配置和电平规划进行计划。

结合频率与电平，本方案中在发射机中使用多次变频技术，好处如下：

（1）在选择性上给予了整个系统提升；

（2）多次变频会保证VCO输出功率不会对最终输出功率产生影响；

（3）本振源信号的产生将会更加简单。

4.在对于毫米波频率源的设计之中，信号相位噪声性能将会是本次设计之中的重点考量标准，而且，为了提升混频后输出射频信号的频谱质量，本振信号质量也需要有一个较高的标准。

5.对于毫米波信号稳定性的探查。信号频率稳定性是影响整个系统的重要因素，因此，毫米波输出信号频率稳定性需要作为重点探查对象，而毫米波输出信号稳定性主要由参考源信号和PLL电路本身的特性决定。

6.随着科技的发展，频率源将需要应对更多的工作环境，因此，毫米波雷达频率源需要有更多的提升，例如功耗低、频带宽、小体积等，因此，在本次毫米波雷达频率源的设计之重，还可以继续进行改进：

（1）通过找到新的技术方法来对混频次数进行降低，并对系统杂散抑制能力进行提升，向频综小型化设计做进一步的努力；

（2）在整體的配件上采用更小的器件，使布局和结构得到优化，提升输出信号，降低相位噪声，将接收机的分辨率做一个提升；

（3）对DDS技术做出深入的研究，在保证可以抑制杂散的基础上，将合成频率做一个提升，为能更高质量的线性调频信号的实现而努力。

总结：

综上所述，本文针对毫米波雷达频率源的设计方法，从毫米波特点、频率源功能原理以及毫米波雷达频率源设计的重点三方面进行了探究，对可以影响毫米波频率源系统设计质量的几项因素进行了分析，把握住了毫米波雷达频率源设计的重点。相对于目前的其它技术方法来说，本文提供的设计方向更加具有性能高，相位噪声低的技术优点。其中，本文还对于目前我国可以使用的技术进行了简单分析，找到了这些技术在毫米波雷达频率源设计之中的优点及缺点，并对未来毫米波雷达频率源的技术要求以及设计方向进行了猜想，提出了几种切实的有利于毫米波雷达频率源设计发展的建议。鉴于我国目前对于毫米波雷达频率源的技术需求，我们应当在对其系统的设计上提供更多的创新思想并对这些想法动手操作来验证其可行性，提高我国毫米波雷达频率源的技术发展。

参考文献：

[1]杨远望，蔡竟业，刘镰斧.毫米波低相噪捷变频高分辨率雷达频率源设计[J].电子技术应用，2011，3710：56-59.

[2]杨艺东，苏新彦，高虹，张慧.基于PXI总线的毫米波雷达信号模拟器的设计与实现[J].科技创新与应用，2016，09：84.

[3]谢滔，张德平，罗慧，袁乃昌.基于AD9914的新型全数字宽带毫米波相参信号源设计[J].现代电子技术，2015，3811：50-53.

[4]汪叶拾.雷达自动频率控制系统的设计[J].甘肃工业大学学报，2000，01：86-89.

简介：张文宝，男（1979.7-），四川广元人，工程师，本科，研究方向：火控雷达频率综合器。

二作：白珂，男（1982.2——），四川彭州市人，工程师，本科，研究方向：火控雷达接收前端。