一种全相参雷达导引头频率源的研制

王玉江 赵达军 张 博 叶忠彬

(四川航天电子设备研究所 成都 610100)

0 引言

当雷达系统的射频信号、本振信号、时钟信号和参考信号等均由同一基准源提供，且这些信号之间均保持确定的相位关系，即相位相参，这种雷达系统统称为全相参系统[1]。全相参雷达体制可以得到多普勒频率来获取目标的速度信息，使雷达对目标识别从距离一维扩展到距离-速度两维，提高了目标的发现概率，这种体制是实现频率捷变技术和线性调频技术的基础，可以产生复杂的信号波形，来提高雷达的低截获概率和抗有源干扰的能力[2]。频率源作为全相参雷达系统的核心，本文采用直接频率合成技术，其具有相位噪声低、转换时间快、稳定可靠等主要优点,该技术在高速、低相噪频率合成领域仍占有一定的地位。由于直接频率合成技术以高稳定晶体振荡器为基准源，采用大量的倍频、分频、放大、滤波等模拟器件,因模拟器件的非线性影响难以抑制,容易产生过多的杂散分量，大量的模拟器件导致体积较大,故采用金属隔离条的形式来减小不同信号间的串扰，提高杂散抑制度；采用射频多层板方式来减小体积。最终通过运用直接频率合成技术的相关理论，采用有效的信号串扰隔离屏蔽技术，借用ADS阻抗匹配仿真方法，设计了一种具有相位噪声较低，杂散抑制度较高的全相参频率源。

1 全相参直接频率合成技术

雷达频率源以一个或数个基准源为参考，综合产生并输出所需的多个频率的装置。按照输出信号的相位关系可分为相参信号源和非相参信号源。雷达频率源的稳定度和相参性对雷达性能有着重要的意义,系统频率的相参性是现代雷达的核心技术之一[3-4]。以一个基准源为参考，经过倍频、分频、混频等方式得到的各个输出频率，其稳定度与基准源一致，这种产生方式即为全相参直接频率合成。但是直接频率合成采用大量的模拟器件,容易产生大量的杂散分量，这些杂散需要体积较大的高性能腔体滤波器进行滤除，从而使得频率源的体积增大、成本升高、结构复杂，这是其主要缺点。间接频率合成技术可以将锁相环构筑成一个窄带跟踪滤波器,很好地选择所需的频率信号,抑制杂散分量,避免使用大量滤波器,有利于集成化和小型化，具有成本低的优势[5-6]，其缺点主要是相位噪声差、响应时间慢、分辨率不高。由于全相参雷达对相位噪声、杂散抑制度、响应时间、稳定度等性能要求比较高，间接频率合成技术并不满足设计要求，故本文采用直接频率合成技术，通过隔离屏蔽技术提高杂散抑制度，运用射频多层板技术减小体积，以弥补直接频率合成技术的缺陷。全相参直接频率合成原理如图1所示。

图1 全相参直接频率合成原理图

1.1 倍频器的工作原理

直接频率合成技术的主要器件是倍频器，其内部是由晶体三极管组成的，三极管的基极不设置或设置很低的静态工作点，则使三极管工作于非线性状态，输入信号经过管子放大后输出其他各阶谐波信号，其工作原理如图2所示。

图2 倍频器工作原理图

为了简化分析，可以忽略掉高阶效应，以一个理想二端口非线性器件为例对倍频器的基本工作原理作以下分析为

io=D(Vi)，Vi=Aicos(ωit)

(1)

基频输入信号的电压Vi与倍频后输出信号的电流io对应关系如式(1)所示,该关系式的泰勒级数展开表达式为

(2)

将Vi带入式(2)可得

(3)

从式(3)可以看出，倍频器输出信号产生丰富的谐波分量，利用带通滤波器将产生的大量谐波分量从中提取出所需要的N次谐波信号，同时把其它不需要的谐波信号滤除掉，从而实现对输入信号的倍频功能。设倍频器的输入基频和输出倍频的相位噪声分别为L(f0)和L(Nf0)，根据理论公式可知，倍频器使频率合成的频率源的相位噪声恶化理论值为

(4)

输入信号经过N次倍或分频时，输出信号的相位噪声恶化按照20lg(N)增加或减小。

1.2 相位噪声

相位噪声即系统在各种噪声作用下引起系统输出信号相位的随机变化，它是衡量频率标准源频稳质量的重要指标。它影响系统中信号处理检测精度，从而影响雷达探测目标的精度[7]。在现在雷达对抗中，由于电磁环境的复杂性，对信号接收通道的灵敏度等参数提出了更高的要求，频率源的本振信号的相位噪声对检测识别雷达回波信号的能力起决定性影响，其相位噪声对接收信号的影响，如图3所示。

图3 相位噪声对接收信号的影响

雷达频率源的本振信号对回波信号f1或f2进行下变频得到中频信号fL-f1或fL-f2，当回波信号没有受到外界干扰时，雷达可以较好地获得目标的回波信号，然而在实际复杂电磁环境空间存在大量的干扰信号以及各种噪声，当干扰信号的频谱靠近回波信号的频谱，且幅度较大，则弱的信号就容易被干扰信号的噪声边带淹没，如图3所示当本振信号相位噪声比较高时，弱的目标回波信号就被淹没，雷达无法探测识别，从而降低了雷达识别探测目标的能力，当提高本振信号相位噪声，淹没的目标信号被发现，从而提高了雷达的灵敏度。

高稳定晶体振荡器作为全相参雷达频率源的基准源，当前雷达系统大部分采用高频、高稳定、低相噪的晶体振荡器作为基准源[8]。本文采用国内厂家设计的100MHz高稳定晶体振荡器，该晶振不仅具有频率高、相噪低、高可靠的特点，还具有体积小的特点，其体积仅有28mm×18mm×6mm，满足当前小型化的需求，其详细指标如表1所示。

表1 高稳定晶体振荡器性能参数指标

频率源的输出信号都是通过倍/分频器得到，其相位噪声均在此基础上进行恶化或改善。通过分析，影响相位噪声性能的两个主要因素：一是高稳定晶体振荡器；二是倍频因子。但是，在实际工程中高稳晶振的供电电压稳定性对相位噪声影响较大，由于线性稳压器输出电压具有稳定性高、纹波小、可靠性高、电磁干扰低的特点，故高稳晶振采用线性稳压器进行单独供电，与其他有源器件供电分开，提高高稳晶振的稳定度及性能。因此本设计选用适当的高稳晶振、倍频因子以及线性稳压器，从而使频率源产生的输出信号相位噪声更低，更好的满足雷达系统需求。

2 雷达接收机灵敏度

随着雷达接收技术的发展，影响雷达导引头作用距离的因素不是目标回波信号的微弱程度，而是各种噪声干扰的程度。通过分析，频率源产生的本振信号的相位噪声边带影响雷达接收机的灵敏度，研究本振信号的相位噪声与灵敏度的关系[9]，具有一定的实际参考意义，这是本文的创新点之一。雷达系统的灵敏度主要受限于接收机内部的热噪声和外部的干扰噪声两个方面。当本振信号源的相位噪声极低条件下，接收机的灵敏度主要是内部热噪声做贡献，其计算公式为

Smin=KTFBnM

(5)

其中，K为玻尔兹曼常数1.38×10-23J/K；T为绝对温度，常温290K；F为接收机噪声系数，单位dB；Bn为噪声等效带宽，单位Hz；M为识别系数。若雷达接收机参数F=10dB，Bn=10MHz，M=1，则由式(5)可得，工作灵敏度Smin=-94dBm。但是实际环境中存在强大的信号泄漏和杂波干扰，本振信号的相位噪声边带由于混频作用而转移到信号泄漏和杂波干扰上，使信号泄漏和杂波干扰明显增强，外部噪声干扰影响较大，接收机的灵敏度主要是由外部干扰噪声决定，其计算公式为

Smin=PR+L(f)+10lg(Bn)

(6)

式(6)中，PR为本振信号泄漏功率绝对值，单位dBm；L(f)为本振信号的相位噪声，单位dBc/Hz。在泄漏功率和噪声等效带宽一定条件下，接收机的灵敏度与本振信号存在线性关系，提高本振信号的相位噪声可以直接改善接收机的工作灵敏度。式(6)可以作为工程中定量计算雷达工作灵敏度的有效方法，具有一定的实际意义。

3 全相参频率源电路总体设计

全相参频率源以一个100MHz高稳晶振作为基准源，运用功分器、倍频器、放大器、滤波器等器件，通过选择不同倍频因子，输出不同频率的信号，其产生原理如图4所示，其输出信号为：100MHz相参时钟信号、120MHz信处时钟信号、3GHz的DDS时钟信号、9.6 GHz本振信号。通过频谱分析，以100MHz为基准源，通过一次2倍频和一次3倍频的方式产生600MHz的信号，该方式比一次6倍频产生的信号频谱干净、相噪低。600MHz信号5分频产生120MHz信处时钟信号，5倍频产生3GHz的DDS时钟信号，16倍频产生9.6 GHz本振信号。通过共用600MHz的信号，可以有效减少元器件数量，从而减小体积、降低成本，这是本文的创新点之二。本文通过使用高稳定晶体振荡器，运用直接频率合成技术的相关理论，采用有效的信号串扰隔离屏蔽技术，借用ADS阻抗匹配仿真方法，最终设计了一种高性能、高稳定性的频率源。

图4 全相参频率源产生原理图

相参时钟为FPGA提供参考时钟，保证雷达系统的相参性。相参时钟由高稳晶振100MHz信号经过功分器、π衰、放大器、滤波器等产生所需要的100MHz相参时钟信号。信处时钟信号为信号处理机提供采样时钟，根据系统要求，其需要四路相参一致的120MHz信处时钟信号，该信号由共用600MHz信号经过五分频、滤波器、π衰、放大器等产生所需要的120MHz采样时钟信号，再通过四功分器产生四路相位基本一致的采样时钟信号。由于本设计频率源的相参时钟信号、信处时钟信号频率较低，设计电路简单，其输出指标较好，故本文不对其设计进行详细论述。由于高频信号电路设计较为复杂，信号串扰较大，输出指标调试难度较大，因此本文重点对高频信号的DDS参考时钟信号、本振信号射频电路设计进行详细分析，使其满足指标要求。

3.1 DDS参考时钟信号

由于DDS具有频率分辨率高、频率捷变快和易于控制等优点，广泛应用在雷达系统中，DDS参考时钟信号为DDS提供工作时钟信号，但由于受到奈奎斯特采样定理的限制，DDS输出频率只能达到参考时钟的40%，本设计选用AD9914，其参考时钟高达 3.5GHz，其输出频率最高可达 1.4GHz。为了保证DDS既要在合理区间，又要满足输出信号要求，因此DDS参考时钟定为3GHz，其输出频率可达 1.2GHz。DDS时钟信号3GHz产生原理如图5所示，600MHz信号经过五倍频即得到3GHz参考时钟信号。其输出参数指标要求：输出功率为0±2dBm；杂散≤-50dBc；谐波≤-45dBc。五倍频产生的3GHz信号经过FBF3000T70滤波器，该滤波器的带外抑制度如图6所示，其近端抑制在50dBc以上，远端抑制在40dBc以上，二次谐波抑制度可以达到45dBc以上，确保DDS输出频谱不会因为该时钟信号产生的杂散带来交调。在输出端再加一LFCN-3000低通滤波器，其二、三次谐波抑制度分别达40dBc、20dBc以上，最终DDS参考时钟信号的理论计算谐波、杂散抑制度达到60dBc以上，满足指标要求。

图5 DDS参考时钟信号产生原理图

3.2 本振信号

本振信号是雷达系统最重要的信号，该信号与上行工作信号上变频产生雷达发射信号，雷达回波信号下变频产生第一中频信号，因此该信号的频谱纯度、信号稳定度等参数指标对整个雷达系统具有重要影响。本振信号产生原理图如图7所示，本振信号是通过16倍频产生的，其输出参数指标要求：输出功率为8±2dBm；杂散≤-50dBc；谐波≤-45dBc；相位噪声≤-95dBc/Hz@1kHz。为了提高本振信号的杂散抑制度，在16倍频器的输入、输出端各加一滤波器，输入端加一定制的600MHz声表滤波器，因其矩形系数较高，其杂波抑制度可达50dB以上，16倍频器选用ADI生产的HMC445LP4有源倍频器，其输出频谱如图8所示，由图8可得输出频谱各次谐波均在20dBc以下，输出信号相邻的15和17次谐波可达35dBc的抑制。本文采用体积较小的MEMS带通滤波器，其带外抑制如图9所示，该滤波器对远端的抑制在50dBc以上，通过滤波器的滤除，9.6 GHz的杂散可以达到60dBc以上， 谐波可以达到50dBc以上，杂散谐波满足设计指标。本振信号的相位噪声理论值可根据式(4)与高稳晶振的相噪参数值，得到本振信号相位噪声L(f)≤-145+20lg96=-105dBc/Hz@1kHz，该理论的相位噪声优于-95dBc/Hz@1kHz，满足设计指标。

图7 本振信号产生原理图

图8 16倍频器输出频谱图

图9 带通滤波器带外抑制图

由于有源倍频器的输出功率达到5 dBm，再加上滤波器自身损耗较大，需要加一级放大器进行功率放大才能达到输出功率要求。本文选用ADI生产的HMC565LC5放大器，该芯片增益可达20dB，P1dB为10dBm，输入、输出50Ω阻抗匹配，根据该芯片提供的.S2P文件，借助射频电路先进设计系统(Advanced Design System,ADS)仿真软件，其输入、输出回波损耗S11、S22参数如图10所示，根据S参数曲线，输入回波损耗可达-24dB，阻抗匹配较好，输出回波损耗-17 dB，输出阻抗匹配较差，需要对其进行阻抗匹配。在实际调试过程中，信号输出端需要一个阻抗匹配网络将阻抗匹配到50Ω附近，本阻抗匹配网络设计采用当前最常用的史密斯图法，利用阻抗-导纳史密斯圆图的相关理论[10-11]，进行阻抗和导纳之间的转化，在实际应用中导纳圆图适用于并联电路；阻抗圆图更适用于串联电路。在实际电路调试中，在射频信号走线上并联电容、电感更方便、更稳定，因此本设计选用导纳圆图的方式，并联电容、电感，实现阻抗匹配。在阻抗-导纳史密斯圆图中，归一化阻抗与导纳可以相互转化，存在倒数关系。在导纳圆图中并联电感、电容，可沿等电导圆移动，引起电纳的变化，并联电感、电容归一化导纳关系式为

(7)

y=g+jZ0ω0C(并联电容)

(8)

其中，Z0为特征阻抗50Ω；ω0为阻抗匹配中心频率的角频率，且ω0=2πf0；g为归一化电导；L、C分别为电感、电容值。

图10 放大器S参数图

图11 输出阻抗-导纳史密斯图

图12 输出阻抗匹配电路图

4 实验测试与分析

通过搭建如图15所示的实验测试平台，使用9030A频谱仪对频率源的100MHz、120MHz、3GHz、本振信号的功率、杂散等参数进行实测，其频谱如图13中(a)、(b)、(c)、(d)所示。根据频率源输出信号的频谱图可得实测指标参数值。频率源的所有输出信号参数测试值与设计指标参数值对照表如表2所示，由表可得所有测试值均满足指标要求，达到了预期效果。由于本设计采用金属隔离压条的方式来提高信号间串扰隔离度，使杂散抑制度达到55dBc以上，信号串扰隔离度达到70dBc以上。频率源为雷达系统提供了高质量的输入信号。

表2 频率源测试数据

频率源输出的本振信号的相位噪声实测图如图14所示。由图可得本振信号的相位噪声曲线平稳，在1kHz条件下的实测相位噪声达到-100dBc/Hz。高稳晶振相位噪声参数优于-145dBc/Hz，经过96次倍频，理论相位噪声计算值为-105dBc/Hz，其实测值接近于理论值，较大程度地满足了雷达系统的要求，提高了接收信号灵敏度，为提高雷达探测精度以及雷达成像清晰度提供了硬件方面的理论方法。

图14 本振信号相位噪声实测图

图15 实验测试图

5 结束语

全相参频率源使用一高稳晶体振荡器为基准源，使不同输出信号实现全相参；运用直接频率合成技术的相关理论，使输出本振信号的相位噪声极低，达到-100dBc/Hz@1kHz，提高了雷达导引头接收机灵敏度；采用有效的信号串扰隔离屏蔽技术，使输出信号的杂散抑制度达到55dBc以上，信号串扰隔离度达到70dBc以上，提高了输出信号的稳定性；借用ADS阻抗匹配仿真方法，使X波段高频本振信号的功率高效输出。本设计的高性能、高稳定性的频率源对当前基于全相参雷达导引头技术发展具有重要的应用价值。