注頻鎖相振蕩器陣列的低相位噪聲信號(hào)產(chǎn)生方法

高偉亮，劉朝軍，邵曉芳

(海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東青島 266041)

0 引 言

非線性有源天線陣將多個(gè)固態(tài)振蕩器組成一維或二維陣列，它不用移相器而是利用非線性動(dòng)力學(xué)理論，應(yīng)用注頻鎖相技術(shù)和互注頻鎖相技術(shù)，形成相對(duì)相移和天線陣面特定的相位分布從而實(shí)現(xiàn)天線陣的波束形成和掃描。這種天線陣具有很多優(yōu)點(diǎn)，如:低功耗、體積小、重量輕、成本低和容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化等［1～7］。

基于注頻鎖相振蕩器陣列的非線性有源天線陣發(fā)射波束形成系統(tǒng)要求各通道發(fā)射相干信號(hào)，即頻率嚴(yán)格一致，并有嚴(yán)格的相位關(guān)系，這樣信號(hào)才能在空間產(chǎn)生一定形狀的波束。實(shí)際系統(tǒng)中由于相位噪聲的影響破壞了各路發(fā)射信號(hào)間嚴(yán)格一致的相位關(guān)系，使天線陣波束指向不準(zhǔn)、副瓣電平增加、主瓣變寬、波束畸變和零點(diǎn)指向不準(zhǔn)等。同樣，在接收系統(tǒng)中，將注頻鎖相振蕩器陣列耦合出一部分信號(hào)作為本振信號(hào)，如果本振信號(hào)的相噪差，則混頻后的中頻信號(hào)就容易被干擾信號(hào)所淹沒，即使中頻濾波器能夠?yàn)V除強(qiáng)干擾中頻信號(hào)，強(qiáng)干擾中頻信號(hào)的噪聲邊帶仍然可能淹沒有用信號(hào)，使接收機(jī)無(wú)法接收到弱小信號(hào)。因此，要將注頻鎖相振蕩器陣列應(yīng)用到高性能的雷達(dá)和通信系統(tǒng)中必須降低陣列輸出信號(hào)的相位噪聲。

相位噪聲是頻率域的概念，它是衡量信號(hào)頻譜純度的重要指標(biāo)。在軍事上，將毫米波振蕩源應(yīng)用于雷達(dá)或通信系統(tǒng)中，通常要求在頻率偏移為10 kHz 條件下有優(yōu)于－110 dBc/Hz 的相位噪聲［8］。

1 注頻鎖相振蕩器陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

注頻鎖相振蕩器陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于注頻鎖相振蕩器陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

陣列中的每一個(gè)單元都是一個(gè)獨(dú)立的且結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的壓控振蕩器，產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)可以直接饋給天線單元，或利用功率放大器放大后再供給天線單元。由于各振蕩器單元的注入信號(hào)是由共同的饋電網(wǎng)絡(luò)將同一信號(hào)功分得到的，并由注頻鎖相振蕩器陣列的相位動(dòng)力學(xué)方程可知［5］，若各振蕩器的自由振蕩頻率與該信號(hào)頻率的差小于鎖相帶寬，那么各振蕩器的輸出信號(hào)頻率相同，均為注入信號(hào)的頻率。在鎖相帶寬內(nèi)調(diào)整各單元的自由振蕩頻率可實(shí)現(xiàn)陣元輸出信號(hào)之間特定相位差，即相控陣波束掃描時(shí)所需的特定相位分布，替代了傳統(tǒng)相控陣移相器的功能，從而實(shí)現(xiàn)波束在空間進(jìn)行掃描［6］。

2 注頻鎖相振蕩器陣列相位噪聲模型

注頻鎖相振蕩器陣列的相位噪聲來(lái)源主要有兩部分:一部分是來(lái)自外部，由注入源引入的相位噪聲;另外一部分是振蕩器振蕩時(shí)的相位噪聲，并受內(nèi)部隨機(jī)相位噪聲的影響。

由注頻鎖相振蕩器陣列的相位動(dòng)力學(xué)方程［5］，可以推導(dǎo)出其相位噪聲的動(dòng)力學(xué)方程為

令ωi為第i 個(gè)振蕩器的自由振蕩頻率，為振蕩器的品質(zhì)因數(shù)，則ω3dB=ωi/2Q。這里，ρi表示注入強(qiáng)度，δφi和δφinj分別表示第i 個(gè)振蕩器的微小相位波動(dòng)參量和注入信號(hào)的相位波動(dòng)參量。^φ，^φinj表示陣列鎖定后振蕩器和注入信號(hào)的穩(wěn)定相位狀態(tài)參量。Bni(t)為隨時(shí)間變化的噪聲電納，代表內(nèi)部隨機(jī)相位噪聲的擾動(dòng)分量。

這樣，整個(gè)陣列的等效噪聲模型如圖2 所示。其中，振蕩器的內(nèi)部隨機(jī)噪聲用等效噪聲導(dǎo)納Bn，i表示，注入信號(hào)用Iinj，i表示。負(fù)載用GL，i表示。

圖2 注頻鎖相振蕩器陣列相位噪聲模型

3 相位噪聲的計(jì)算

對(duì)式(1)進(jìn)行傅里葉變換，可得

整理得

當(dāng)無(wú)注入源時(shí)，即ρ =0，此時(shí)振蕩器處于自由振蕩狀態(tài)，即

式中，F(xiàn)()表示傅里葉變換;ω 代表頻率偏移，對(duì)于整個(gè)陣列來(lái)說(shuō)，設(shè)整個(gè)注頻鎖相振蕩器陣列的相位波動(dòng)參量為δφtotal，同時(shí)假定內(nèi)部隨機(jī)相位噪聲源為正交噪聲源并且有相同的功率譜，通過(guò)計(jì)算可得整個(gè)陣列的輸出相位噪聲為

4 相位噪聲的測(cè)試

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，對(duì)1 ×4 單元注頻鎖相振蕩器陣列的相位噪聲進(jìn)行了測(cè)試，由于注頻鎖相振蕩器陣列屬于非線性有源天線陣的一種，與傳統(tǒng)的相控陣天線工作原理不同，注頻鎖相振蕩器陣列的所有振蕩器都被注入到同一個(gè)外部信號(hào)，該信號(hào)也是整個(gè)陣列實(shí)際要輸出的信號(hào)。陣列輸出信號(hào)的頻率在工作帶寬內(nèi)是可以改變的，隨著注入信號(hào)頻率的變化而變化，前提是不能超出鎖頻帶寬，否則注頻鎖相現(xiàn)象將消失。設(shè)計(jì)的注頻鎖相振蕩器陣列工作于S 波段，中心頻率為2.5 GHz，工作帶寬在50 MHz 以內(nèi)。當(dāng)發(fā)生穩(wěn)定的注頻鎖相現(xiàn)象時(shí)，相位噪聲的測(cè)試結(jié)果均選擇在此中心頻率上進(jìn)行測(cè)試的，此時(shí)整個(gè)陣列輸出為2.5 GHz 的單載頻信號(hào)。方案如圖3 所示。

圖3 測(cè)試方案

4 單元注頻鎖相振蕩器陣列將發(fā)射信號(hào)送至1 ×4 單元發(fā)射微帶貼片天線輻射至空間，由1 ×1單元接收天線接收后經(jīng)同軸電纜連接至頻譜儀，由頻譜儀測(cè)量整個(gè)陣列的相位噪聲。

圖4 1×4 單元注頻鎖相振蕩器陣列實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)步驟。

(1)振蕩器自由振蕩時(shí)的相位噪聲

每個(gè)微波振蕩器都是采用同一集成芯片PM2503 實(shí)現(xiàn)，因此它們自由振蕩時(shí)的相位噪聲基本相當(dāng)。不加注入源，對(duì)注頻鎖相振蕩器陣列首單元加入12. 07 V 調(diào)諧電壓時(shí)，自由振蕩頻率為2.519 GHz。用Agilent 公司的頻譜儀E4407B 測(cè)得的相位噪聲如圖5 所示，在頻率偏移10 kHz 時(shí)，相噪為－55.89 dBc/Hz 可見，振蕩器自由振蕩時(shí)相位噪聲較差。

(2)注入源的相位噪聲

圖5 自由振蕩時(shí)的相位噪聲

采用Agilent 公司的E8257C 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出2.5 GHz 的信號(hào)作為注入源，用頻譜儀測(cè)得注入源的相位噪聲如圖6 所示，在頻率偏移10 kHz 時(shí)，相位噪聲為－100.65 dBc/Hz。

圖6 注入源的相位噪聲

(3)整個(gè)陣列的相位噪聲

按照?qǐng)D3 方案，用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出0 dBm、2.5 GHz 的信號(hào)作為注入信號(hào)，調(diào)整注頻鎖相振蕩器陣列各單元的自由振蕩頻率，使其4 個(gè)單元發(fā)生穩(wěn)定的注頻鎖相現(xiàn)象，測(cè)得整個(gè)陣列的相位噪聲如圖7 所示。

圖7 整個(gè)陣列的輸出相位噪聲

在頻率偏移10 kHz 時(shí)，相位噪聲為－86.72 dBc/Hz，可見，整個(gè)陣列輸出信號(hào)的相位噪聲性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于振蕩器自由振蕩時(shí)的相噪性能，但比注入源的相位噪聲性能差些。由于使用的注入源的相位噪聲性能較差(高性能信號(hào)源在頻率偏移10 kHz 時(shí)，相位噪聲可達(dá)到－120 dBc/Hz)，致使整個(gè)陣列的相噪水平不高。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn):①加大注入信號(hào)的功率至5 dBm，再增加至10 dBm。在頻率偏移10 kHz 時(shí)，相位噪聲分別為－91.29 dBc/Hz 和－96.12 dBc/Hz，如圖8 和圖9 所示。若進(jìn)一步增加注入源的功率，相位噪聲性能接近－97 dBc/Hz。

可見，提高注入源的功率(即增加ρ)，可改善信號(hào)的相位噪聲性能，并且隨著注入源功率的增加，相位噪聲有一極限最小值。這也可以通過(guò)分析式(5)得到，兩者吻合。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，還發(fā)現(xiàn)采用4 個(gè)陣元輸出的信號(hào)，相位噪聲性能要優(yōu)于只采用1 個(gè)、2 個(gè)或3 個(gè)陣元組成的陣列，也與式(5)吻合。

5 結(jié) 語(yǔ)

另外，實(shí)際應(yīng)用的天線系統(tǒng)每個(gè)通道存在幅度誤差和相位誤差，對(duì)于非線性天線陣而言，可由其幅度動(dòng)力學(xué)方程和相位動(dòng)力學(xué)方程描述，并且隨著幅度和相位的微小波動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)鎖定到新的穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)于整個(gè)天線陣的性能影響已在文獻(xiàn)［1，2］中進(jìn)行了理論分析和仿真，并且證明了該方法可以在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用研究。本文的重點(diǎn)則是關(guān)注整個(gè)陣列的相位噪聲這一單一性能，因此，由誤差引起的對(duì)天線陣的其它性能影響不做重復(fù)描述。

相位噪聲的測(cè)試結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合。因此，可以得出基于注頻鎖相振蕩器陣列的低相位噪聲信號(hào)產(chǎn)生方法為:①盡可能采用更低相位噪聲的單片微波集成電路芯片設(shè)計(jì)振蕩器。②盡可能采用高穩(wěn)定度低相位噪聲信號(hào)源作為注入源，利用現(xiàn)代高穩(wěn)定度低相位噪聲信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)這一要求。③適當(dāng)增加注入源的功率。④適當(dāng)增加注頻鎖相振蕩器陣列陣元的數(shù)目。

［1］唐志凱，劉隆和，陶勇剛. 有源天線陣波束電掃描新技術(shù)［J］. 微波學(xué)報(bào). 2005，21(4):44－46.

［2］唐志凱，劉隆和，姜永華，等. 基于注頻鎖相技術(shù)的發(fā)射波束形成系統(tǒng)［J］. 微波學(xué)報(bào)，2007，23(2):19－24.

［3］BRIAN K MEADOWS，TED H HEATH，JOSEPH D NEEFF.Nonlinear Antenna Technology［J］.Proc.IEEE，2002，90(5):882－896.

［4］POGORZELSKI R J. Phased Arrays Based on Oscillators Coupled on Triangular and Hexagonal Lattices［J］. IEEE Transactions on Antenna and Propagation，2004，52(3):790－800.

［5］HEATH T. Simultaneous Beam Steering and Null Formation with Coupled，Nonlinear Oscillator Arrays［J］. IEEE Transactions on Antenna and Propagation，2005，53(6):2031－2035.

［6］高偉亮，姜永華，李軍，等. 基于注頻鎖相振蕩器陣列的多波束掃描技術(shù)［J］.微波學(xué)報(bào).2009，25(2):6－10.

［7］高偉亮. 非線性有源天線陣多波束掃描及控制技術(shù)研究［D］. 煙臺(tái):海軍航空工程學(xué)院，2009.

［8］高偉亮，葉靈偉，張欣，等. 非線性有源天線陣多波束相位分布控制方法［J］. 中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2010，5(4):370－375.

［9］ APOSTOLOS GEORGIADIS，COLLADO，ALMUDENA SUAREZ.New Techniques for the Analysis and Design of Coupled－Oscillators Systems［J］. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54(11):3864－3877.

［10］凌祥，姜永華，高偉亮，等. 非線性有源天線陣波束掃描技術(shù)［J］.微波學(xué)報(bào)，2009，25(1):8－11.