毫米波段寬帶信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

呂 波,都學(xué)新,李武軍,羅小平

(軍械工程學(xué)院光學(xué)與電子工程系,河北石家莊 050003)

0 引 言

相對(duì)于微波頻段雷達(dá),毫米波雷達(dá)工作波長(zhǎng)更短,因此它的設(shè)備體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)性能好,并能夠提供較高的測(cè)量精度和良好的目標(biāo)分辨率;同時(shí),毫米波雷達(dá)不易受到電子干擾,具有較強(qiáng)的穿透云、霧和灰塵的能力,因此適合于全天候工作[1].目前國(guó)內(nèi)外大量的軍用或民用雷達(dá)都逐步發(fā)展到毫米波頻段.

對(duì)于數(shù)量日益龐大的毫米波雷達(dá),如何快捷地測(cè)量雷達(dá)的靈敏度指標(biāo)變得尤為迫切.目前雷達(dá)靈敏度測(cè)試通用的方法是:利用信號(hào)源產(chǎn)生高頻能量注入到雷達(dá)接收機(jī),逐漸降低信號(hào)源輸出功率,直至接收機(jī)輸出信噪比達(dá)到1∶1,此時(shí)注入到雷達(dá)接收機(jī)的功率電平即為雷達(dá)靈敏度[2].根據(jù)這種測(cè)試方法,如果采用通用的儀器作為測(cè)試信號(hào)源,成本將極其昂貴.例如安捷倫公司生產(chǎn)的40GHz的模擬信號(hào)源E8257D,價(jià)格高達(dá)50萬(wàn)元人民幣,顯然不適宜于普通用戶,因此研究專用信號(hào)源迫在眉睫.目前有大量的文獻(xiàn)研究高性能信號(hào)源的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),但是能夠達(dá)到毫米波頻段的卻很少.文獻(xiàn)[3-4]設(shè)計(jì)的毫米波信號(hào)源只具有頻率控制的功能,功率控制和脈沖調(diào)制功能無(wú)法實(shí)現(xiàn).此外文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的信號(hào)源體積較大,由兩個(gè)機(jī)箱組成,且成本較高,顯然不適宜于便攜式檢測(cè)設(shè)備使用.因此,本文為滿足毫米波段雷達(dá)的靈敏度測(cè)試需求,設(shè)計(jì)了一種小型化、低成本、數(shù)字控制的微波信號(hào)源.

1 指標(biāo)要求及方案選擇

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

①頻段:8 mm波長(zhǎng);②帶寬:2GHz;③輸出功率:≥+7 dBm;④功率控制:變化范圍≥30 dB;⑤輸出信號(hào)形式:連續(xù)波、簡(jiǎn)單脈沖信號(hào);⑥最小脈沖寬度:≤0.1μs;⑦接口形式:串口(頻率控制), 2.92 mm K型接頭(射頻信號(hào)).

1.2 方案選擇

目前微波信號(hào)源的設(shè)計(jì)可采用DDS、DRO、PLL和直接倍頻等幾種方法.直接倍頻方式由于輸出頻率不可程控,且體積龐大,顯然不可采用.DRO方式調(diào)諧帶寬較窄,且頻率穩(wěn)定度較差,也不適合雷達(dá)靈敏度的測(cè)試.DDS方式對(duì)工作頻段在1GHz以下的雷達(dá)比較適合,當(dāng)針對(duì)更高頻率的雷達(dá)時(shí),需增加多個(gè)倍頻、濾波單元,限制其應(yīng)用范圍.PLL方式輸出頻率可大范圍程控,步進(jìn)頻率kHz量級(jí)足夠滿足雷達(dá)靈敏度測(cè)試的需要,且體積小、成本低,非常適合用作雷達(dá)檢測(cè)信號(hào)源.因此便攜式雷達(dá)性能檢測(cè)儀優(yōu)選PLL來(lái)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)源.

2 信號(hào)源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為信號(hào)源的整體組成框圖.單片機(jī)負(fù)責(zé)接收上位機(jī)送來(lái)的頻率控制命令,并譯碼,轉(zhuǎn)換為PLL芯片所需的串行頻率控制字.PLL負(fù)責(zé)產(chǎn)生X波段的基頻微波信號(hào),基頻信號(hào)在經(jīng)過(guò)4倍頻即得到毫米波頻段的輸出頻率.

由于毫米波頻段的可調(diào)衰減器、微波開(kāi)關(guān)價(jià)格昂貴,安裝焊接工藝要求極高,因此信號(hào)源的功率控制、脈沖調(diào)制功能單元放在 4倍頻器前,以較低的成本和較高的可靠性實(shí)現(xiàn)了所需的功能.當(dāng)4倍頻器前的開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí),只有很小的功率泄漏進(jìn)倍頻器,由于達(dá)不到倍頻器輸入功率的要求,不會(huì)有毫米波信號(hào)輸出;當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí),開(kāi)關(guān)的插損是很小的,于是 4倍頻器可獲得足夠大的輸入功率,產(chǎn)生較大功率的毫米波信號(hào).微波開(kāi)關(guān)速度極快,從而實(shí)現(xiàn)了小占空比脈沖調(diào)制輸出信號(hào)的功能.為實(shí)現(xiàn)精確的窄脈沖調(diào)制,脈沖調(diào)制控制字直接由上位機(jī)送給高隔離開(kāi)關(guān)芯片,而不經(jīng)過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)發(fā),以避免單片機(jī)程序執(zhí)行所引起的調(diào)制脈沖寬度不準(zhǔn).四倍頻器前串接的壓控衰減器負(fù)責(zé)控制毫米波信號(hào)源的輸出功率,以便進(jìn)行毫米波雷達(dá)的靈敏度測(cè)量.

圖1 信號(hào)源原理組成框圖Fig.1 Block diagram of designed signal source

圖2 單片機(jī)端口配置Fig.2 Definition of MCU ports

4倍頻器采用兩級(jí)有源二倍頻器的串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn).由于有源倍頻器輸出功率較大,因此只需要在X波段將PLL的輸出功率放大到足夠的功率電平,可驅(qū)動(dòng)第一級(jí)倍頻器,后續(xù)第一級(jí)倍頻器輸出的功率不需放大即可推動(dòng)第二級(jí)倍頻器,第二級(jí)倍頻器的輸出功率不需放大即可滿足大于7 dBm的系統(tǒng)指標(biāo)要求.這樣,既簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),省掉一個(gè) Ku波段和一個(gè) Ka波段放大器,又提高了信號(hào)源自身的可靠性.

C8054F340為系統(tǒng)采用的單片機(jī).它有5個(gè)P口,內(nèi)部集成有振蕩器、10位ADC和兩個(gè)比較器, 70%的指令占用1～2個(gè)系統(tǒng)周期,具有64 k的flash和4 k的RAM,可在線調(diào)試程序[2].圖2為單片機(jī)工作原理圖,端口P0.4、P0.5與上位機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)頻率控制;P0.6、P0.7為信號(hào)源的狀態(tài)反饋信號(hào),反映信號(hào)源是否失鎖、目前程序是否執(zhí)行中等.P3.2、P3.3和P3.4依次連接PLL芯片的CLK、DATA和LE端口.

2.2 鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)

PLL部分的原理圖見(jiàn)圖3所示.ADF4107為 AD公司生產(chǎn)的寬帶 PLL芯片,最高工作頻率可達(dá)7GH z.它內(nèi)部集成有鑒相器、R分頻器和N分頻器等,通過(guò)CLK、DATA和 LE三線串口進(jìn)行頻率配置.按照器件要求,上電后依次配置初始化寄存器、功能寄存器、參考寄存器和AB寄存器.其中,初始化寄存器和功能寄存器負(fù)責(zé)配置預(yù)分頻系數(shù)P、VCO調(diào)諧極性、電荷泵輸出電流大小、CP輸出狀態(tài)和快鎖模式選擇等等;參考寄存器主要完成參考分頻系數(shù) R的配置.由于信號(hào)源要求的跳頻間隔為1MHz,于是選擇PLL的鑒相頻率為0.25MHz,這樣4倍頻后頻率間隔即為1MHz.設(shè)計(jì)中使用50 MHz的參考晶振,于是R分頻系數(shù)就等于

圖3 PLL部分原理圖Fig.3 Schematic of PLL

在固定點(diǎn)頻工作模式下,AB寄存器的配置可根據(jù)公式求解.

式中:fVCO為外部壓控振蕩器的輸出頻率;fREFIN為參考晶振頻率,fREFIN/R=0.25MHz就是鑒相頻率;P為雙模預(yù)分頻系數(shù),它由功能寄存器配置,其選擇的原則如公式所示.

由于信號(hào)源工作在跳頻模式,因此AB寄存器的配置需要根據(jù)上位機(jī)的頻率控制字實(shí)時(shí)更新,并同時(shí)滿足公式(2),(3)的限制條件.

壓控振蕩器型號(hào)為HMC510,它是Hittite公司生產(chǎn)的8.45～9.55GHz寬帶VCO,具有2分頻和4分頻輸出功能.利用它的2分頻輸出送入PLL芯片,以滿足ADF4107最大工作頻率上限7 GHz的要求,從而省去外置分頻器的成本和節(jié)約電路板空間.VCO在8.45～9.55GH z頻率范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的調(diào)諧電壓范圍為2.5～11 V,因此PLL必須采用有源環(huán)路濾波器,見(jiàn)圖3中虛線框內(nèi)部分.為了提高輸出頻譜的相位噪聲性能,環(huán)路濾波電路中的電壓放大器需采用超低低噪聲運(yùn)算放大器.

2.3 功率控制和脈沖調(diào)制功能的實(shí)現(xiàn)

為了精確測(cè)量雷達(dá)的靈敏度,信號(hào)源的輸出功率必須能夠連續(xù)準(zhǔn)確改變.此外,考慮到PLL輸出的信號(hào)為連續(xù)波,而目前絕大部分雷達(dá)工作于脈沖模式,因此為了能夠測(cè)試脈沖雷達(dá)的靈敏度,檢測(cè)信號(hào)源還必須具備脈沖調(diào)制的功能.功率控制及脈沖調(diào)制功能實(shí)現(xiàn)的原理見(jiàn)圖4所示.

圖4 功率控制和脈沖調(diào)制電原理圖Fig.4 Schematic of pow er control and pulse modulation

圖5 壓控衰減器接口電路Fig.5 In terface circuit of voltage-variable attenuator

采用寬帶微波壓控衰減器HMC346LP3來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出功率的精確調(diào)整.該芯片工作頻率范圍可達(dá)DC～14 GHz,衰減范圍0～30 dB,插入損耗約2 dB.該壓控衰減器采用-3～0 V的負(fù)電平控制衰減量,因此必須采用圖5所示的接口電路將0～+3 V的控制電平轉(zhuǎn)換為-3～0 V的控制電平.

采用數(shù)控開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制功能.為了模擬高重頻窄脈沖雷達(dá)的回波,數(shù)控開(kāi)關(guān)的速度要求非?？?達(dá)到ns量級(jí). HMC347LP3為本設(shè)計(jì)選用的開(kāi)關(guān)芯片,其開(kāi)關(guān)速度優(yōu)于6 ns,完全滿足0.1μs量級(jí)的脈沖調(diào)制需求;工作帶寬為DC～14GHz,隔離度達(dá)47 dB[5].

圖6 串口通信接口電原理圖Fig.6 Schematic of serial communication in terface

2.4 串口接口電路

PLL的頻率控制通過(guò)串口與上位機(jī)通信,圖6給出了采用MAX232的串口通信硬件電路原理圖.因?yàn)镸AX232具有驅(qū)動(dòng)能力,所以不需要外加驅(qū)動(dòng)電路.它內(nèi)部集成有一個(gè)電源電壓變換器,可以把輸入的+5 V電源變換成RS-232輸出電平所需的 ±10 V電壓.MAX 232外圍僅需4個(gè)鉭電解電容C1、C2、C3和C4,取值均為1μF;C5為0.1μF的去耦電容[10].

2.5 程序設(shè)計(jì)

圖7 信號(hào)源軟件流程圖Fig.7 Flow chart of signal source's software

單片機(jī)加電后,首先進(jìn)行單片機(jī)初始化配置.將P3口均設(shè)置為非模擬輸入,推挽輸出模式;設(shè)置串口工作于方式2,允許串口中斷;設(shè)置定時(shí)器1工作于模式2,配置串行通信波特率為9 600 bps;關(guān)閉看門(mén)狗和不需要的復(fù)位源及中斷,然后進(jìn)入主程序.

主程序是一個(gè)大循環(huán)體.首先通過(guò)串口接收頻率控制字并保存;計(jì)算出鎖相環(huán)AB寄存器的A值和B值;依次配置PLL芯片的初始化寄存器、功能寄存器和參考寄存器和AB寄存器.當(dāng)一次頻率配置結(jié)束后,返回一個(gè)高電平給上位機(jī),告之本次頻率配置結(jié)束,可以進(jìn)行新的頻率配置.此時(shí),如果上位機(jī)送來(lái)新的頻率控制字,單片機(jī)將會(huì)響應(yīng)新的串口中斷,并重新配置PLL.

每次頻率配置完畢后,PLL還返回上位機(jī)一個(gè) LOCK信息.如果PLL處于鎖定狀態(tài),則LOCK輸出端為高電平,否則為低電平.上位機(jī)在每次發(fā)送完一次頻率控制字1 ms后都要去判斷LOCK是否為高:如果為高,說(shuō)明PLL工作正常,已經(jīng)鎖定;否則,PLL異常,未鎖定,報(bào)告信號(hào)源故障.

在整個(gè)程序中最為復(fù)雜的是 PLL分頻系數(shù)N的計(jì)算和AB寄存器的配置.鑒相頻率選為0.25 MHz,假設(shè)信號(hào)源最低輸出頻率為34GHz,則PLL輸出頻率為8.5GHz,N=34 000.首先將它存入地址40H和41H中,用N值除以P值,商即為AB寄存器中的A值,余數(shù)即為B值.其中P值是根據(jù)公式確定的.

整個(gè)單片機(jī)控制程序流程如圖7所示.

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 輸出功率測(cè)試

在頻率為35GHz情況下,實(shí)測(cè)信號(hào)源的輸出功率變化范圍可達(dá) -46～+7.5 dBm,配合使用固定衰減器,可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的輸出功率控制.

3.2 調(diào)制特性測(cè)試

開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí),實(shí)測(cè)隔離度為50 dB.

3.3 輸出頻譜測(cè)試

相位噪聲性能優(yōu)良,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖9所示,可達(dá)到 -60 dBc/Hz/250 kHz,-95 dBc/Hz/1 MHz,完全可以滿足雷達(dá)靈敏度測(cè)試信號(hào)源的要求.

圖8 信號(hào)源原理樣機(jī)Fig.8 Prototype of designed signalsource

圖9 輸出頻譜測(cè)量結(jié)果F ig.9 Test result of frequency spectrum

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)的雷達(dá)檢測(cè)信號(hào)源體積小、重量輕,輸出功率、頻率、信號(hào)形式均可控,既可單獨(dú)使用,通過(guò)計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行控制,也可配合其它板卡組成綜合性雷達(dá)性能檢測(cè)設(shè)備.該信號(hào)源以極低的成本實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)靈敏度指標(biāo)的測(cè)量,因此經(jīng)濟(jì)效益非常明顯.

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