宽带线性调频信号的产生

任亚欣

（西安电子工程研究所，陕西 西安710100）

宽带线性调频信号因具有较高的目标检测能力、良好的目标识别能力、抗干扰能力强等优点，在雷达及探测领域受到了高度重视。如何产生高质量的宽带线性调频信号是科研工作者的研究课题。宽带线性调频信号作为宽带信号的典型代表，其应用范围非常广泛，产生宽带线性调频信号的方式也多种多样，各有优缺点，需要根据不同的使用场景，结合项目背景等选择最适合的产生方式来实现。本文总结当下使用较多的几种产生方式，比较他们的优缺点后，根据项目实际应用需求，选用DDS+倍频的方式，产生宽带线性调频信号，并对工程应用中遇到的问题进行分析和总结，最终达到使用指标要求。

1 产生方式及比较

宽带线性调频信号的产生可以分为两大类，即模拟法与数字法。

模拟法是在数字器件没有崛起之前，依靠传统模拟器件实现的信号产生方式，其又可分为有源和无源两种方法。有源法是采用线性锯齿形电压控制压控振荡器（VCO）产生LFM 信号，也可采用锁相环来实现。无源法产生LFM 中最常用的是色散延迟线（或者声表波SAW 器件）来实现。无论是采用有源还是无源模拟方式产生LFM 信号，实现系统都有体积庞大、灵活性差、调试与维护复杂等问题。从信号形式看，模拟法主要用于产生一些简单的LFM 信号，对产生大瞬时带宽LFM 信号方面存在诸多困难，难以满足现代雷达高调频线性度、高稳定性、多模式工作体制的要求。因此现在在工程实践中，很少选用模拟的方式来实现。

数字法主要有DDS 直接产生法、DDS+倍频扩展频带法、DDS 上变频扩展频带法、DDS+PLL 扩展频带法、多路DDS 并行合成法。

1.1 DDS 直接产生法。有两种分类：第一种数字中频直接产生，特点是从数字系统的误差分析入手，合理选择系统的采样频率、量化位数，优化电路结构，减小系统噪声与电磁干扰；第二种数字基带+正交调制，特点是除了分析数字系统引入的误差外，还应考虑正交调制器带来的影响，主要有：幅度不平衡、相位不平衡和直流偏置。一般建议正交调制的载波泄漏和镜像抑制控制在-30dBc 以下，I、Q 两路的幅度不平衡＜0.5dB，相位不平衡＜2°。

1.2 DDS+倍频器扩展频带法。特点是：倍频不仅能扩展信号带宽，而且还能提高信号的中心频率。产生信号的性能会受到倍频环节中非理想特性的影响，如倍频器失真、滤波器和放大器的不匹配等。

1.3 DDS 上变频扩展频带法。特点是：分析时应注意上变频器的输出功率和变换效率。当对线性度要求较高时，可以适当牺牲一些输出功率和效率，保证线性度指标。

1.4 DDS+PLL 扩展频带法。特点是：通过PLL 锁相倍频可获得低噪声、低杂散、高频谱纯度和高捷变频波形。使用这种方式时应注意对锁相环路参数、传递函数、相位噪声及杂散分布特性的分析。

数字产生宽带线性调频信号的核心是DDS（直接数字频率合成），因此，此种方法能够灵活的对产生波形的初始相位和频率进行控制，较模拟产生方法有很大的灵活性和适应性。基本能够满足雷达对波形使用的要求。但其输出带宽受限于器件的最高工作频率，因此需要结合辅助手段对工作带宽进行扩频。

2 工程实现

根据宽带线性调频信号产生方法，结合具体项目的实际情况，我们最终选择第二种方法，即DDS+直接倍频的方法来产生需要的宽带信号。然后再跟毫米波信号进行上变频，最终实现毫米波段的宽带信号33GHz～37.8GHz。

首先，DDS 直接产生500MHz～800MHz，带宽为300MHz 的宽带信号，先经过放大和2 倍频，对频率和带宽进行第一次扩展，扩展到1000～1600MHz，此时带宽为600MHz。这里需要进行先滤波，将倍频过程中产生的多余谐波信号进行滤除，然后经过放大器，对倍频和滤波过程中的功率损耗进行补偿。再进行2 倍频和滤波，得到2000MHz～3200MHz，带宽8000MHz～12800MHz，带宽为4800MHz 的宽带信号。后面再经过两级类似的放大滤波，得到最终需要的4.8GHz 的宽带信号。

整个倍频和放大链路中，共进行了16 倍频、放大、滤波，倍频链路的分布为4 级二倍频，并且每次二倍频之后都会有对应的滤波器对多余的谐波和杂散进行滤除，保证信号的杂散指标，同时为了使倍频器能够正常工作，在每级滤波之后都使用放大器和衰减器对功率进行调整和补偿（图1）。

图1 宽带倍频工程实现框图

该实现方法简单直接，能够有效的减少硬件用量，需要关注的是倍频链路的设计和放大器与滤波器之间的匹配设计，选择合适的滤波器对倍频过程中产生的谐波进行抑制，保证最终输出宽带信号的频普纯度。

3 问题分析及解决

工程实践中遇到的问题归纳下来主要有：（1）带内功率平坦度不够±1.5dB；（2）谐波分量功率较大，线性度指标由DDS 器件特性进行了保证，基本达到使用要求。

3.1 带内平坦度不足（图2），可能的原因有：（1）产生波形源本身不平；（2）滤波器不匹配带来的不平；（3）各级间放大器带来的不平；（4）无源倍频器输入功率不足带来的不平；（5）其他可能的原因带来的不平。（1）经过对DDS 输出波形的测量，其输出波形的功率起伏在1dB 范围内，符合器件本身的特性要求，因此该条故障可能被排除；（2）滤波器进行单独测量其输入输出特性，测量结果满足设计指标，即带内功率起伏≤1dB 指标，因此该故障可能也会排除；（3）由于倍频器级联之间使用放大器进行功率补偿，放大器增益较高，在分级测量过程中发现，倍频后的放大器输出功率起伏较大，超出指标要求±1.5dB 的范围，进一步排查发现此处驻波较差，导致输入到无源倍频器的功率起伏较大，可能是引起波形带内功率平坦度超过设计指标的原因。因此对电路进行微调，并配合吸收橡皮的使用，最终将功率起伏控制在指标范围内；（4）经过倍频器级联的调试，对无源倍频器的输入功率得到改善，满足无源倍频器的输入功率要求，最终输出功率起伏在指标要求范围内；（5）其他有可能引起功率起伏的原因还有各级级联匹配、连接稳定性、滤波器接地性能等。在工程实践中也是会引起功率起伏过大的原因。

图2 带内平坦度不足

3.2 谐波分量功率较大（图3），可能的原因有：（1）滤波器带外抑制不够。滤波器带外抑制主要由滤波器自身的特性决定，滤波器一旦设计定型，只要滤波器装配良好（包阔射频通道连接良好和滤波器接地良好两方面），其带外抑制特性基本稳定，因此排除滤波器带外抑制的可能。（2）倍频器谐波抑制指标超差。倍频器在选型过程中，关注其谐波抑制特性，能够满足使用要求，在装配可靠的前提下，倍频器引起的谐波指标超差也可以排除。（3）放大器处于饱和或过饱和状态。放大器饱和会对信号谐波引起较大恶化，经过逐级测量后，发现放大器在增益级联过程中有存在饱和放大的可能，因此在放大链路中对各级放大器增益和损耗重新计算测量，对存在饱和的放大器输入功率进行衰减，使其工作在线性区，保证信号不被饱和放大。经过功率调节，最终输出信号谐波指标满足指标要求范围。

图3 谐波分量功率过大

经过对电路的分析和逐级排查，对可能存在的隐患进行调试和调整，最终将宽带信号的平坦度控制在了±1.5dB 范围，谐波分量控制在-30dBc 范围，满足工程使用要求（图4）。

图4 调试完成后测量结果

4 结论

在进行宽带线性调频信号产生设计时，需要根据项目的实际情况进行斟酌筛选,包括体积、功耗、成本、项目周期等，选择最适合的方法。然后在工程实践过程中，对该方法有可能存在的缺陷和漏洞进行优化设计，以满足使用要求为目标进行实现，才能得到最优结果。