超低空搜索雷達(dá)頻率綜合器的設(shè)計與實現(xiàn)

劉洪升 李 宏 梁文博

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

某超低空搜索雷達(dá)工作在S波段，雷達(dá)工作環(huán)境既存在很強(qiáng)的地物回波，也會遇到來自敵方的各種有源或無源干擾。雷達(dá)需要從嚴(yán)重的雜波環(huán)境中分辨運(yùn)動目標(biāo)，要求其頻率綜合器具有低相噪、低雜散特性，以提高雷達(dá)的改善因子;要對付各種干擾，就還要求頻綜具備極短的跳頻時間。

該雷達(dá)頻綜主要由參考頻率產(chǎn)生器、復(fù)雜信號產(chǎn)生器、頻標(biāo)產(chǎn)生器、輸出信號合成器以及通信、控制、故障檢測等部分組成。其主要作用是為S波段雷達(dá)提供發(fā)射激勵信號、本振信號和時鐘信號等。

2 設(shè)計方案

2.1 方案簡介

根據(jù)雷達(dá)總體技術(shù)特點，該頻綜采用直接式合成方法，其輸出信號是在S波段，共有32個頻率點。為了得到最佳的交互調(diào)抑制，減少開關(guān)、濾波器的數(shù)量，本方案在S波段的微波基準(zhǔn)信號上進(jìn)行混頻，產(chǎn)生S波段的32個頻率點輸出信號。雷達(dá)頻綜原理框圖如圖1所示。

2.2 第一本振信號fL1產(chǎn)生

首先產(chǎn)生兩組頻標(biāo)，其中微波頻標(biāo)有4路;中頻頻標(biāo)8路。微波頻標(biāo)由晶振信號通過諧波發(fā)生器直接產(chǎn)生，再由電子開關(guān)和濾波器進(jìn)行選頻，然后經(jīng)過放大，作為混頻的本振信號;晶振信號再由諧波發(fā)生器產(chǎn)生8路信號，經(jīng)分頻產(chǎn)生中頻頻標(biāo)信號。

微波頻標(biāo)與中頻頻標(biāo)混頻，得到的信號經(jīng)開關(guān)選通濾波放大后，隔離輸出得到第一本振信號fL1，共32個頻率點。另外通過定向耦合得到測試信號。

2.3 發(fā)射激勵信號fc產(chǎn)生

由DDS芯片AD9857產(chǎn)生非線性調(diào)頻信號，再由晶振信號倍頻后與之混頻得到較高頻率的非線性調(diào)頻信號，再與第一本振信號進(jìn)行第二次混頻，產(chǎn)生發(fā)射激勵信號。定向耦合支路為測試信號。此處進(jìn)行了兩次上變頻，是因為芯片AD9857輸出頻率不能很高，輸出信號直接與第一本振信號混頻會產(chǎn)生大量的交互調(diào)頻率，所需的開關(guān)、濾波器數(shù)量很多，為了減少設(shè)備量，因此該信號需要先進(jìn)行上變頻后再與第一本振信號混頻。

第二本振信號fL2、采樣時鐘信號fs與定時時鐘信號ft、外參考時鐘信號fref與fSTC的產(chǎn)生較簡單，只需對晶振信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋额l、分頻和濾波即可獲得，此處不再贅述。

圖1 頻率綜合器原理框圖

3 產(chǎn)品研制的關(guān)鍵技術(shù)及分析

該頻綜在雷達(dá)系統(tǒng)中十分重要，它的關(guān)鍵技術(shù)就是低相噪設(shè)計、低雜散設(shè)計、極短的跳頻時間。在該項目研制中，不論是電路設(shè)計還是電磁兼容性設(shè)計甚至印制板設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等等都圍繞如何降低相噪和雜散來考慮。因為低相噪，低雜散設(shè)計需要綜合各個方面，全面考慮才能達(dá)到目的。

3.1 相位噪聲

根據(jù)前面介紹的頻率合成過程，主要采取了倍頻、混頻方式，N次倍頻過程會使相位噪聲惡化20logN(dB)。我們選用的晶體振蕩器在偏離載頻1kHz處的相位噪聲優(yōu)于-155dBc/Hz。中頻頻標(biāo)信號產(chǎn)生過程中，由于倍頻次數(shù)遠(yuǎn)低于微波頻標(biāo)的倍頻次數(shù)，因此其相位噪聲的貢獻(xiàn)可以忽略不計。微波頻標(biāo)與中頻頻標(biāo)進(jìn)行混頻后，這樣產(chǎn)生S波段第一本振信號，實際上還會有約2dB附加相噪損失，經(jīng)實測第一本振信號相位噪聲低于-120dBc/Hz@1kHz。

發(fā)射激勵信號由第一本振信號與非線性調(diào)頻信號混頻產(chǎn)生，非線性調(diào)頻信號的相位噪聲與第一本振信號相比可忽略不計，其實測的的相位噪聲低于-120dBc/Hz@1kHz。

低相噪設(shè)計只靠一個合理的方案和一個滿足要求的低相噪晶振還是不夠的，還必須采取合理的電磁兼容措施，正確的印制板設(shè)計及精心的調(diào)試技術(shù)才能得以保證。

3.2 雜散

雜散的抑制主要取決于混頻比的選擇，使得各種交互調(diào)分量盡量少，同時必須在輸出濾波器的帶外，濾波器能夠充分濾除交互調(diào)分量，確保輸出頻率高純度、低雜散。濾波器的合理使用、電子開關(guān)的合理選用以及電磁兼容的優(yōu)化設(shè)計也十分重要。

很多雜散形成不是來源于主頻率通道，而是來源于逆向信號通道和耦合信號通道，所以不僅在主通道上要設(shè)置濾波器，某些情況下，逆向信號通道和耦合信號通道也必須設(shè)置濾波器，以加強(qiáng)信號通道之間的隔離。還有添加隔離器、衰減器后再放大等也是常用的提高反向隔離的措施。

各路信號通道之間的隔離好壞往往是決定雜散指標(biāo)能否達(dá)到要求的關(guān)鍵。電子開關(guān)的合理選用也是提高信號通道間隔離度的重要環(huán)節(jié)，本頻綜使用的電子開關(guān)通斷比均要求大于80dB。

進(jìn)一步降低輸出雜散，還需要正確的電磁兼容設(shè)計，因為信號可以通過地電流的耦合、地線的串?dāng)_和電源線之間的耦合，形成雜散信號。屏蔽措施對降低雜散也很有效。在電路系統(tǒng)中，使用屏蔽措施或者用吸波材料降低空間干擾，這也是降低雜散常用的方法。整個系統(tǒng)中，很多的信號都是通過電纜進(jìn)行傳輸，因而電纜的性質(zhì)優(yōu)劣對信號質(zhì)量的影響也很嚴(yán)重，但是傳輸信號電纜輻射往往被設(shè)計師們忽視。在雜散要求較高時，必須選用屏蔽更好的電纜;又由于系統(tǒng)空間較小，電纜在系統(tǒng)內(nèi)的彎曲半徑小，所以我們使用了低插損、高屏蔽性能、柔性優(yōu)良的電纜，并認(rèn)真排布了電纜束的分布和走向。

3.3 跳頻時間

要求該頻綜的跳頻時間小于1μs。跳頻時間受限于各信號控制開關(guān)的響應(yīng)速度和通訊、控制單元的電路延時以及濾波器響應(yīng)時間。單個開關(guān)的響應(yīng)速度非?？欤壳暗拈_關(guān)產(chǎn)品可小于200ns;通訊、控制單元是由數(shù)字電路構(gòu)成的，其響應(yīng)時間也是非常短的，延時小于300ns;濾波器頻率響應(yīng)時間為:t=2/BW，BW為濾波器通帶帶寬，本頻綜中所用的濾波器經(jīng)計算 t小于 100ns。上述時間總和為600ns，滿足跳頻時間小于1μs的指標(biāo)要求。

4 產(chǎn)品研制結(jié)果

該雷達(dá)頻綜由3個模塊和母板組成，外形尺寸為140mm×215mm×300mm，其研制取得了較為滿意的結(jié)果，S波段輸出信號相噪低于-120dBc/Hz@1kHz，雜散低于 -80dBc，跳頻時間小于 1μs。

圖2 頻率綜合器實物圖

圖2 為其實物照片。圖3～圖5給出了相噪和雜散測試結(jié)果。

5 結(jié)束語

以上介紹了一個S波段頻率綜合器的設(shè)計與實現(xiàn)，分析了產(chǎn)品研制的關(guān)鍵技術(shù)。目前，該頻綜已成功應(yīng)用于某超低空搜索雷達(dá)，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足要求，使用狀況良好，工作穩(wěn)定可靠。

［1］維迪姆·邁納賽維奇.頻率合成理論·設(shè)計·應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社.

［2］高樹廷等著.合成頻率源工程分析與設(shè)計［M］.北京:兵器工業(yè)出版社.

［3］白居憲著.低噪聲頻率合成［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社.