微波毫米波雷達(dá)頻率源關(guān)鍵技術(shù)研究

李曉莉+趙文峰

摘要：雷達(dá)主要任務(wù)除了對(duì)測(cè)量目標(biāo)方位、距離和仰角進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)還要對(duì)目標(biāo)測(cè)量速度，從目標(biāo)回波中獲取更多信息，進(jìn)而來(lái)識(shí)別目標(biāo)。在雷達(dá)系統(tǒng)中雷達(dá)頻率源作為其關(guān)鍵部件，雷達(dá)頻率源發(fā)揮著重要的作用，主要是為雷達(dá)接收機(jī)提供參考信號(hào)和本振，同時(shí)也為全相參雷達(dá)提供系統(tǒng)時(shí)鐘和發(fā)射激勵(lì)源，頻率源的發(fā)展為新體制雷達(dá)研發(fā)提供機(jī)會(huì)，創(chuàng)造條件。當(dāng)前雷達(dá)面臨的電磁環(huán)境壓力，推動(dòng)了雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，由于基地雷達(dá)對(duì)系統(tǒng)時(shí)間同步所提出的要求越來(lái)越高，其內(nèi)部頻率源同步十分重要。本文就對(duì)微波毫米波雷達(dá)頻率源的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和研究，為業(yè)界提供參考的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微波；毫米波；雷達(dá)頻率源；關(guān)鍵技術(shù)

雷達(dá)原指的是通過(guò)無(wú)線電來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)的空間位置加以測(cè)定，在二次世界大戰(zhàn)期間在軍事領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。隨著信息技術(shù)和科技水平不斷提高，雷達(dá)性能也得到了完善，在20世紀(jì)中期，航空航天技術(shù)的發(fā)展，在宇宙飛船、人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)等都采用雷達(dá)來(lái)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行控制和探測(cè)，尤其是在反洲際導(dǎo)彈系統(tǒng)的研制過(guò)程中，對(duì)雷達(dá)的探測(cè)精度、分辨力、目標(biāo)測(cè)量數(shù)量及距離等都提出了更高的要求[1]。為了解決這一問(wèn)題，雷達(dá)就進(jìn)入快速發(fā)展的階段，隨著雷達(dá)性能的不斷提高，其應(yīng)用范圍也在不斷拓寬。

一.頻率源的基本理論

雷達(dá)頻率源主要是為了向雷達(dá)發(fā)射機(jī)提供射頻激勵(lì)信號(hào)，并向雷達(dá)接收機(jī)提供多種本振信號(hào)，并為信號(hào)處理系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。早期雷達(dá)信號(hào)的發(fā)射主要是通過(guò)磁控管等振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但這種發(fā)射信號(hào)的方法所產(chǎn)生的射頻信號(hào)穩(wěn)定度較差?，F(xiàn)代雷達(dá)發(fā)射機(jī)中采用的是固態(tài)放大器和速調(diào)管，從而提高了雷達(dá)發(fā)射信號(hào)穩(wěn)定性，波形多樣性和帶寬等，近年來(lái)電磁環(huán)境在不斷惡化，從而導(dǎo)致雷達(dá)發(fā)射信號(hào)向復(fù)雜波形、寬帶寬和捷變頻發(fā)展，從而使雷達(dá)頻率源也逐漸向此方向發(fā)展，導(dǎo)致頻率源功能更加復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸更大。早期的雷達(dá)性能功能簡(jiǎn)單，雷達(dá)頻率源技術(shù)也十分簡(jiǎn)單，而隨著超外差體制出現(xiàn)，雷達(dá)系統(tǒng)從微弱回波信號(hào)下變頻到較低頻率中頻頻率，產(chǎn)生和發(fā)射信號(hào)同步變化的一種本振信號(hào)[2]。為了充分利用回波信號(hào)，雷達(dá)系統(tǒng)中需要采用高質(zhì)量的雷達(dá)接收機(jī)本振信號(hào)，為滿足雷達(dá)指標(biāo)要求，需要將回波信號(hào)多次經(jīng)過(guò)下變頻，從而就要求雷達(dá)頻率源提供更多的本振信號(hào)，隨著雷達(dá)技術(shù)不斷發(fā)展成熟，雷達(dá)接收機(jī)的本振信號(hào)需要和雷達(dá)發(fā)射頻率變化相同步。

由于雷達(dá)系統(tǒng)的功能性變得更加復(fù)雜，雷達(dá)系統(tǒng)所需要的控制信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)數(shù)量就不斷增加，同時(shí)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的要求也在不斷提高，在雷達(dá)系統(tǒng)中雷達(dá)頻率源可以為內(nèi)部部件提供參考基準(zhǔn)信號(hào)。由此可見(jiàn)雷達(dá)頻率源從簡(jiǎn)單的雷達(dá)部件已經(jīng)變成了多樣化、設(shè)計(jì)更復(fù)雜、頻率合成方式更靈活、技術(shù)指標(biāo)更難的關(guān)鍵部位。

二.微波毫米波雷達(dá)頻率源關(guān)鍵技術(shù)

（一）寬帶步進(jìn)捷變頻頻率源技術(shù)

捷變頻雷達(dá)的抗干擾能力較強(qiáng)，使雷達(dá)探測(cè)距離增加，同時(shí)可以有效提高雷達(dá)的分辨力，抑制海浪雜波，在現(xiàn)代電子戰(zhàn)爭(zhēng)中雷達(dá)為避免受到地方干擾，提高了頻率源的頻率范圍，并對(duì)頻率快速變換，提高了雜散抑制指標(biāo)，相位噪聲較低。在該技術(shù)下DS頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，頻率分辨率較高，但如果輸出的頻點(diǎn)較多的情況下，電路中的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量化和參考源的數(shù)量增加，就使電路成本和復(fù)雜度增加，因此一般不考慮用來(lái)產(chǎn)生寬帶捷變頻信號(hào)[3]。雖然DDS的分辨率及較高，頻率較快，但輸出信號(hào)頻率低，對(duì)其運(yùn)用范圍產(chǎn)生限制，而PLL輸出信號(hào)頻率較高，雜散低，相位噪聲低，但其頻率的轉(zhuǎn)換速度受到環(huán)路參數(shù)影響，難以達(dá)到捷變頻要求，因此需要根據(jù)捷變頻頻率源要求來(lái)對(duì)頻率合成方式加以應(yīng)用。

（二）線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)頻率源

由于雷達(dá)距離分辨率和雷達(dá)測(cè)距精度受到信號(hào)頻域結(jié)構(gòu)影響，其測(cè)速精度與分辨率都受到信號(hào)時(shí)域結(jié)構(gòu)影響，為提高雷達(dá)系統(tǒng)的分辨能力和測(cè)量精度，要求雷達(dá)信號(hào)具有較大的帶寬和時(shí)寬，而線性調(diào)頻脈沖信號(hào)出現(xiàn)后解決了單載頻脈沖信號(hào)無(wú)法解決大帶寬和大時(shí)寬的問(wèn)題[4]。根據(jù)線性調(diào)頻脈沖信號(hào)線性度的影響參量分析，在理想線性調(diào)頻信號(hào)相位差、高斯噪聲和正弦調(diào)制的基礎(chǔ)上，利用理論分析推導(dǎo)公式進(jìn)行仿真與分析，設(shè)計(jì)出高性能的線性調(diào)頻頻率源，為其提供工程參考機(jī)理論依據(jù)。在該設(shè)計(jì)方案中采用高速控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率源的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)重復(fù)周期、脈沖寬度和重復(fù)周期內(nèi)輸出頻率等各項(xiàng)參數(shù)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)又保證輸出信號(hào)的高指標(biāo)要求。

（三）W波段雷達(dá)頻率合成技術(shù)

由于微波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)工作原理基本相同，但毫米波的波長(zhǎng)比微波短，兩者之間存在顯著的大氣傳播特性差異，毫米波雷達(dá)的特點(diǎn)和微波雷達(dá)不同，可用的工作頻帶較寬，距離分辨力、速度分辨力和角分辨力較高，體積更小，目標(biāo)信息更加豐富。而微波雷達(dá)頻率主要是采用DDS來(lái)產(chǎn)生雷達(dá)的波形數(shù)字，在雷達(dá)系統(tǒng)中可以對(duì)波形和相關(guān)參數(shù)及西寧重新配置，使雷達(dá)波形產(chǎn)生的方式更加靈活，性能也更加優(yōu)越，但由于受到技術(shù)的限制和影響，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案在毫米波雷達(dá)中難以直接應(yīng)用，因此就設(shè)計(jì)出W波段雷達(dá)頻率。在W波段頻率變頻模塊中主要包括有濾波器、混頻器、四倍頻器和放大器等四個(gè)部分的電路，其中W波段四倍頻器主要采用的是單片四倍頻器直接產(chǎn)生，在四倍頻鏈路中集成在一個(gè)芯片，通過(guò)緩沖放大器在輸出端提高輸出功率，同時(shí)對(duì)于一些不必要的諧波加以抑制[5]。而混頻器則主要采用的是HRL實(shí)驗(yàn)室中的單片，這一芯片的變頻損耗值為10dB，其射頻輸入端和本振輸入端均采用的是微帶、對(duì)脊鰭線、波導(dǎo)過(guò)渡結(jié)構(gòu)，其中中頻輸入端為平衡輸入結(jié)構(gòu)。濾波器采用的是鰭線結(jié)構(gòu)的帶通濾波器，主要是對(duì)于通帶外雜散加以抑制，其通帶范圍為90GHz，帶內(nèi)插損不超過(guò)5dB，對(duì)本振泄漏抑制超過(guò)50dB，符合設(shè)計(jì)的要求。W波段放大器主要采用是兩個(gè)W波段的低噪放LSPA級(jí)聯(lián)對(duì)濾波后的信號(hào)功率進(jìn)行放大。

結(jié)語(yǔ)：

本文通過(guò)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)中微博毫米波雷達(dá)頻率源的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和探討，采用高質(zhì)量微波雷達(dá)頻率源信號(hào)，并配合毫米波頻段倍頻及混頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)W波段低雜散和低相噪雷達(dá)頻率源，而在相位噪聲、功率平坦度和雜散抑制等方面的性能指標(biāo)均較為滿意，通過(guò)理論及工程實(shí)踐均可以對(duì)方案可行性加以論證。

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簡(jiǎn)介：李曉莉，女（1986.8——），四川達(dá)州市人，助理工程師，本科，研究方向：火控雷達(dá)頻綜。

趙文峰，男（1983.5——），四川達(dá)州市人，工程師，本科，研究方向：火控雷達(dá)頻綜。