低噪聲多功能雷達(dá)激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)

李　濟(jì)

(安徽博微長安電子有限公司, 安徽 六安 237010)

0　引　言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)工作環(huán)境的電磁干擾日益嚴(yán)重。為了適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境，擴(kuò)大接收機(jī)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍，加強(qiáng)對(duì)小目標(biāo)的提取能力，現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)激勵(lì)信號(hào)源的低雜散、低相噪提出了更高的要求。[1]同時(shí)，為了提高對(duì)不同干擾源的處理能力，也要求激勵(lì)信號(hào)具有波形可選、頻率捷變等功能。[2]因此，采用先進(jìn)的直接頻率合成技術(shù)(DDS)和高速大規(guī)模集成電路等新技術(shù)、新器材設(shè)計(jì)出低雜散、低相噪的多功能雷達(dá)激勵(lì)信號(hào)源是現(xiàn)代雷達(dá)成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。

1　激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)

1.1　方案設(shè)計(jì)

首先，采用基于DDS技術(shù)的波形產(chǎn)生電路可以產(chǎn)生低載波的中頻脈沖式雷達(dá)波形信號(hào)，可以根據(jù)控制信號(hào)不同，實(shí)現(xiàn)脈沖寬度、周期和脈內(nèi)調(diào)頻、調(diào)相方式等多種選擇功能。因此，雷達(dá)激勵(lì)信號(hào)的波形可選擇性是在波形產(chǎn)生電路中實(shí)現(xiàn)的。其次，雷達(dá)波形信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，將頻譜搬移到射頻段。通過變化本振信號(hào)的頻率和相應(yīng)的濾波電路，可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的頻率捷變功能。最后，用不同的濾波器分別濾除掉互調(diào)、雜散等無用信號(hào)，并對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行功率放大、匹配輸出，即成為L波段雷達(dá)激勵(lì)信號(hào)。圖1為L波段雷達(dá)激勵(lì)信號(hào)源原理框圖。

1.2　硬件電路設(shè)計(jì)

該方案按不同功能將電路分割成多個(gè)模塊，模塊間用高頻電纜傳輸信號(hào)，可以有限地防止相互間信號(hào)串?dāng)_。同時(shí)，需要對(duì)每個(gè)模塊的電源進(jìn)行噪聲隔離設(shè)計(jì)。該方案中關(guān)鍵電路是波形產(chǎn)生電路和上變頻電路。

(1) 波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

電路中使用的主要器件為FPGA和DDS。FPGA選用Altera公司的 EPF10K100ARI240-3，完成控制邏輯關(guān)系運(yùn)算功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，以及對(duì)DDS的初始化和動(dòng)態(tài)配置。DDS選用ADI公司的AD9854ASQ，在不同信號(hào)控制下，可以產(chǎn)生多種形式的脈沖雷達(dá)波形信號(hào)。波形產(chǎn)生電路框圖如圖2所示。

(2) 上變頻電路設(shè)計(jì)

上變頻電路完成頻譜搬移功能。選用Mini-circuits公司雙平衡混頻器ADE-30，本振電平7 dBm，具有轉(zhuǎn)換插損小、端口間隔離度高等優(yōu)點(diǎn)?；祛l電路原理圖如圖3所示。設(shè)計(jì)上變頻電路時(shí)，指標(biāo)上要保留一定的余量，并且注意阻抗匹配，保證在寬溫范圍內(nèi)指標(biāo)合格，不會(huì)發(fā)生自激現(xiàn)象。

2　關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)分析計(jì)算

2.1　雜散抑制度

該激勵(lì)信號(hào)源對(duì)雜散抑制度要求是≤-65 dBc。雜散信號(hào)主要來源于DDS工作產(chǎn)生的雜散信號(hào)和混頻電路的互調(diào)信號(hào)。

DDS時(shí)鐘信號(hào)為300 MHz，輸出信號(hào)頻率70 MHz，輸出信號(hào)頻率在時(shí)鐘信號(hào)頻率的1/4～1/8之間，處于輸出信號(hào)中雜散最小的頻帶內(nèi)。DDS輸出信號(hào)頻譜規(guī)劃圖如圖4所示[3]。

從圖4可以看出，DDS輸出的頻譜非常豐富，包括中頻信號(hào)的多次諧波(圖中的H2、H3……)、中頻信號(hào)與采樣時(shí)鐘的鏡像信號(hào)，以及各次諧波與采樣頻率組合頻譜(圖中的IM2、IM3……)。其中，影響較大的是fs-f0=230 MHz、二次諧波H2=140 MHz和三次諧波H3=210 MHz，因距離中頻信號(hào)f0較遠(yuǎn)，可通過過渡帶比較陡峭的橢圓函數(shù)濾波器將其濾除掉，而其他雜散信號(hào)因多次鏡像后幅度較小而影響較小。

上變頻電路中，中頻信號(hào)為70 MHz，本振信號(hào)為1 600 MHz，混頻后取相加信號(hào)1 670 MHz為有效信號(hào)。其互調(diào)信號(hào)中影響較大的有相減信號(hào)頻率為1 530 MHz、二次鏡像信號(hào)和DDS時(shí)鐘信號(hào)頻率為300 MHz。這些與1 670 MHz相距較遠(yuǎn)，可以用濾波器濾除掉。

2.2　相位噪聲

該激勵(lì)信號(hào)源對(duì)激勵(lì)信號(hào)相位要求噪聲是≤-130 dBc/Hz@1 kHz。要保證指標(biāo)要求，必須保證整個(gè)鏈路中各級(jí)電路的相位噪聲都能滿足指標(biāo)要求，其中影響較大的是波形產(chǎn)生電路和上變頻電路。

波形產(chǎn)生電路中DDS時(shí)鐘信號(hào)和器件自身噪聲基底影響較大。DDS時(shí)鐘是用100 MHz恒溫晶振作為基準(zhǔn)信號(hào)，通過3倍頻直接合成300 MHz，其相位噪聲惡化了20lg3≈10 dB。選用的晶振相噪指標(biāo)為-160 dBc/Hz@1 kHz，所以時(shí)鐘信號(hào)相噪指標(biāo)沒有問題。從選用的AD9854數(shù)據(jù)表中可以查到，在300 MHz時(shí)鐘下輸出70 MHz信號(hào)時(shí)器件本身相位噪聲在-130 dBc/Hz@1 kHz以下[4]。因此，波形產(chǎn)生電路輸出的信號(hào)可以達(dá)到要求的相噪指標(biāo)要求。

上變頻電路中，本振信號(hào)的相噪主要取決于頻率變換時(shí)產(chǎn)生的相噪惡化，其惡化規(guī)律可認(rèn)為滿足公式(1)：

(1)

式中,θnOUT(t)為頻率變換后的信號(hào)相位噪聲，θnIN(t)為頻率變換前信號(hào)的相位噪聲。

前述相位噪聲為-160 dBc/Hz@1 kHz的晶振為信號(hào)基準(zhǔn)，通過倍頻、混頻等方式直接合成本振信號(hào)，其中最大倍頻次數(shù)為1 600÷100 MHz=16倍。理論上相噪惡化20lg17≈24 dB，倍頻鏈路有3 dB左右附加損耗，這樣本振信號(hào)相位噪聲滿足指標(biāo)要求。

中頻信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，再經(jīng)放大后出射頻信號(hào)?；祛l為兩信號(hào)線性疊加，放大器為功率放大?；祛l后的射頻輸出信號(hào)的相位噪聲可認(rèn)為滿足：

(2)

式中，θnOUT(t)為混頻后的射頻信號(hào)相位噪聲，θnIF(t)為參加混頻的中頻信號(hào)的相位噪聲，θnLO(t)為參加混頻的本振信號(hào)的相位噪聲。根據(jù)公式(2)計(jì)算下來，激勵(lì)信號(hào)的噪聲可達(dá)-130 dBc/Hz@1 kHz以下，滿足系統(tǒng)要求。

采用Keysight Technologies N9030A PXA信號(hào)分析儀進(jìn)行寬帶雜散和帶內(nèi)信噪比測試，測試結(jié)果分別如圖5、圖6。采用R&S公司的FSUP26信號(hào)源分析儀進(jìn)行相位相位噪聲測試，測試結(jié)果如圖7。對(duì)激勵(lì)信號(hào)的線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻功能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖8。可以看出，實(shí)測結(jié)果符合理論設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖5為實(shí)測輸出信號(hào)1 670 MHz線性調(diào)頻信號(hào)寬帶雜散的頻譜圖。從圖5可以看出，掃寬200 MHz內(nèi)雜散抑制度達(dá)到65 dB以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6為實(shí)測輸出信號(hào)1 670 MHz線性調(diào)頻信號(hào)視頻帶寬1 kHz的頻譜圖(視頻帶寬VBW和分辨率帶寬RBW設(shè)置10 Hz)。雜散抑制度達(dá)68 dB以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7為實(shí)測輸出信號(hào)1 670 MHz單載頻相位噪聲圖，相位噪聲達(dá)到130 dBc/Hz@1 kHz以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8為實(shí)測輸出信號(hào)1 670 MHz的線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻兩種調(diào)頻狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)信號(hào)的多種功能。

4　結(jié)束語

該方案采用數(shù)字波形產(chǎn)生、上變頻、功率放大和濾波電路，成功設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款L波段雷達(dá)激勵(lì)信號(hào)源。經(jīng)實(shí)測，激勵(lì)信號(hào)的雜散和相噪指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)要求，同時(shí)激勵(lì)信號(hào)還具有波形可選、頻率捷變等多種功能，集成化程度高，可靠性高，滿足某新型雷達(dá)的工程使用要求。