频控阵雷达频率合成器技术研究与设计

谌志强　陈起　雷敏杰　吴延群　黄起昌

【摘 要】频控阵雷达作为近年来提出的一种新体制雷达，其对频率合成器的需求与传统的相控阵雷达对频率合成器的需求较为不同;频控阵雷达频率合成器除了阵列雷达所需求的相位相参性要求以外，还对各个通道输出信号频率及对应通道频率偏移也提出了新的要求。本文以频控阵雷达对频率合成器需求为前提，研究并设计了几种直接数字频率合成器与锁相环相结合的频率合成器方案，对其原理及性能指标等进行分析对比，并给出应对不同频率特性需求的设计建议。

【关键词】频控阵雷达;频率合成器;锁相环;直接数字频率合成器

中图分类号： TN952 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）22-0011-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.004

1 频控阵雷达简介

频控阵雷达技术是近年来提出的一种新体制阵列雷达技术。与相控阵雷达以及传统雷达相比，频控阵雷达通过在不同的输出通道上附加很小的频偏，使其发射波束方向图成为与时间、角度和距离相关的函数[1]。

2 频控阵雷达基本原理及其特点

频控阵雷达与相控阵雷达在发射信号特性中有着相同的特点，即它们都发射阵列的相参信号，但是频控阵雷达与相控阵雷达最大的区别在于相控阵雷达发射的相参信号是频率相同的信号，而频控阵发射的是频率不同的信号，并且其信号特点是频控阵阵列发射出的信号具有相同的载频，但是每个阵元发射出的信号都附加了很小的频偏[2]（频率偏移量远远小于其载频信号）。

频控阵雷达阵列结构如图1所示：

其中，f1与R1分别表示为信号的发射频率以及探测目标到第一个阵列阵元的距离;Δf表示相邻两个阵元发射信号的频率差;R2表示目标到第二个阵列阵元的距离;θ表示信号的方位角;d表示相邻两个阵元的间距。

式（1）中，第一项是传统相控阵阵元间的相位偏移量;第二项表示相位偏移量随着距离R1和频偏的变化而变化，即频控阵波束方向图具有距离依赖性，这就是频控阵所具备的最为重要的特征，也是频控阵雷达相较于其它雷达所具有的最为鲜明的特点以及优势;第三项表示不同阵元发射相同载波以及不同微小频偏信号所形成的相位偏移量。

3 频控阵雷达频率合成器设计及性能分析

频控阵雷达频率合成器不同于一般的频率合成器，其必须同时具备以下三個特点[3]：

（1）频率合成器输出的多路阵列信号具有相位相参性。

（2）频率合成器输出的多路阵列信号具有相同载频与不同频偏。

（3）频率合成器输出的多路阵列信号频偏量远远小于载频（频偏一般为kHz信号，载频一般为GHz信号）。

以下设计方案均是满足于上述要求的频率合成器结构。

3.1 频控阵雷达频率合成器设计

3.1.1 DDS激励锁相环结构

基于DDS激励锁相环的频率合成器方案在频率合成中是常见的设计方案（以下简称方案一），设计原理框图如图2所示：

由于DDS输出信号具有极高的频率分辨率，可以远远小于，且设定不同阵列DDS输出信号具有相同的及不同的，所以输出的阵列信号具有相同的载频以及不同的频偏，并且频偏远远小于载频。

3.2 频控阵雷达频率合成器性能指标分析

频控阵雷达频率合成器性能指标主要包含阵列信号频率构成、相位相参性、频率范围、频率分辨率、相位噪声等[4-5]。

首先进行阵列信号频率构成、相位相参性及相位噪声分析：

阵列信号频率构成：通过3.1节的原理分析及式3、4、5及6可知，以上方案所输出的阵列信号均能满足频控阵雷达频率合成器阵列信号频率构成特点;

相位相参性：当对图2、图3、图4及图5频率合成结构复制形成阵列，并使用同一参考信号源fclk进行阵列信号输出时，由于使用了同一参考信号源，且DDS输出信号具有极强的频率调谐作用，输出的阵列信号将具有相位相参性[6];

相位噪声：系统输出信号相位噪声取决于各模块自身相位噪声特性。通常系统所提供的参考信号fclk相位噪声特性足够优异，所以整个系统输出信号相位噪声除受倍频或分频的恶化或优化以外，主要取决于系统中相位噪声最差的模块;各模块的相位噪声特性则根据系统输出信号相位噪声目标参数、工程成本、元器件型号、工艺等多方面参数决定，此处不再过多讨论;但总体要求是相位噪声参数越小越好越有利于系统应用。

以下将对不同结构的其他性能指标进行分析。

3.2.1 DDS激励锁相环结构特点

DDS激励锁相环结构中，DDS与锁相环相互独立。DDS输出信号作为锁相环鉴相参考信号，环路输出信号将跟踪DDS输出信号特性;由式3可知，使用R及N分频器将DDS输出信号倍频得到系统输出信号（实际系统中，N/R通常为定值），所以系统输出信号频率范围较宽;并且频率分辨服从倍频N/R关系，频率分辨率也较高;环路锁定时间由锁相环决定，为毫秒级别。

3.2.2 环内混频锁相环+DDS结构特点

环内混频锁相环+DDS结构中，DDS与锁相环不再相互独立。DDS与VCO输出信号混频后输入鉴相器，与鉴相参考信号fclk共同驱动VCO，形成环内混频闭环回路。由式4可知，在N/R及参考信号fclk保持不变的前提下，该结构频率可调范围即为DDS输出信号频率范围，所以该系统输出信号频率范围较窄;且频率分辨率完全由DDS决定，所以频率分辨率也极高;环路锁定时间由锁相环决定，为毫秒级别。

3.2.3 环外混频锁相环+DDS结构特点

环外混频锁相环+DDS结构中，DDS与锁相环相互独立。DDS与锁相环驱动的VCO输出信号混频后直接作为系统输出;该结构相当于将DDS输出地较低频信号搬移到锁相环输出的高频信号之上，系统输出信号特性由锁相环及DDS共同决定。由式5可知，其频率构成与式4完全相同，系统输出信号频率范围较窄;频率分辨率由DDS决定，所以频率分辨率极高;环路锁定时间由DDS决定，为纳秒级别;且近端杂散较为严重。