寬帶線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生

任亞欣

（西安電子工程研究所，陜西 西安710100）

寬帶線性調(diào)頻信號因具有較高的目標檢測能力、良好的目標識別能力、抗干擾能力強等優(yōu)點，在雷達及探測領域受到了高度重視。如何產(chǎn)生高質(zhì)量的寬帶線性調(diào)頻信號是科研工作者的研究課題。寬帶線性調(diào)頻信號作為寬帶信號的典型代表，其應用范圍非常廣泛，產(chǎn)生寬帶線性調(diào)頻信號的方式也多種多樣，各有優(yōu)缺點，需要根據(jù)不同的使用場景，結合項目背景等選擇最適合的產(chǎn)生方式來實現(xiàn)。本文總結當下使用較多的幾種產(chǎn)生方式，比較他們的優(yōu)缺點后，根據(jù)項目實際應用需求，選用DDS+倍頻的方式，產(chǎn)生寬帶線性調(diào)頻信號，并對工程應用中遇到的問題進行分析和總結，最終達到使用指標要求。

1 產(chǎn)生方式及比較

寬帶線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生可以分為兩大類，即模擬法與數(shù)字法。

模擬法是在數(shù)字器件沒有崛起之前，依靠傳統(tǒng)模擬器件實現(xiàn)的信號產(chǎn)生方式，其又可分為有源和無源兩種方法。有源法是采用線性鋸齒形電壓控制壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生LFM 信號，也可采用鎖相環(huán)來實現(xiàn)。無源法產(chǎn)生LFM 中最常用的是色散延遲線（或者聲表波SAW 器件）來實現(xiàn)。無論是采用有源還是無源模擬方式產(chǎn)生LFM 信號，實現(xiàn)系統(tǒng)都有體積龐大、靈活性差、調(diào)試與維護復雜等問題。從信號形式看，模擬法主要用于產(chǎn)生一些簡單的LFM 信號，對產(chǎn)生大瞬時帶寬LFM 信號方面存在諸多困難，難以滿足現(xiàn)代雷達高調(diào)頻線性度、高穩(wěn)定性、多模式工作體制的要求。因此現(xiàn)在在工程實踐中，很少選用模擬的方式來實現(xiàn)。

數(shù)字法主要有DDS 直接產(chǎn)生法、DDS+倍頻擴展頻帶法、DDS 上變頻擴展頻帶法、DDS+PLL 擴展頻帶法、多路DDS 并行合成法。

1.1 DDS 直接產(chǎn)生法。有兩種分類：第一種數(shù)字中頻直接產(chǎn)生，特點是從數(shù)字系統(tǒng)的誤差分析入手，合理選擇系統(tǒng)的采樣頻率、量化位數(shù)，優(yōu)化電路結構，減小系統(tǒng)噪聲與電磁干擾；第二種數(shù)字基帶+正交調(diào)制，特點是除了分析數(shù)字系統(tǒng)引入的誤差外，還應考慮正交調(diào)制器帶來的影響，主要有：幅度不平衡、相位不平衡和直流偏置。一般建議正交調(diào)制的載波泄漏和鏡像抑制控制在-30dBc 以下，I、Q 兩路的幅度不平衡＜0.5dB，相位不平衡＜2°。

1.2 DDS+倍頻器擴展頻帶法。特點是：倍頻不僅能擴展信號帶寬，而且還能提高信號的中心頻率。產(chǎn)生信號的性能會受到倍頻環(huán)節(jié)中非理想特性的影響，如倍頻器失真、濾波器和放大器的不匹配等。

1.3 DDS 上變頻擴展頻帶法。特點是：分析時應注意上變頻器的輸出功率和變換效率。當對線性度要求較高時，可以適當犧牲一些輸出功率和效率，保證線性度指標。

1.4 DDS+PLL 擴展頻帶法。特點是：通過PLL 鎖相倍頻可獲得低噪聲、低雜散、高頻譜純度和高捷變頻波形。使用這種方式時應注意對鎖相環(huán)路參數(shù)、傳遞函數(shù)、相位噪聲及雜散分布特性的分析。

數(shù)字產(chǎn)生寬帶線性調(diào)頻信號的核心是DDS（直接數(shù)字頻率合成），因此，此種方法能夠靈活的對產(chǎn)生波形的初始相位和頻率進行控制，較模擬產(chǎn)生方法有很大的靈活性和適應性?；灸軌驖M足雷達對波形使用的要求。但其輸出帶寬受限于器件的最高工作頻率，因此需要結合輔助手段對工作帶寬進行擴頻。

2 工程實現(xiàn)

根據(jù)寬帶線性調(diào)頻信號產(chǎn)生方法，結合具體項目的實際情況，我們最終選擇第二種方法，即DDS+直接倍頻的方法來產(chǎn)生需要的寬帶信號。然后再跟毫米波信號進行上變頻，最終實現(xiàn)毫米波段的寬帶信號33GHz～37.8GHz。

首先，DDS 直接產(chǎn)生500MHz～800MHz，帶寬為300MHz 的寬帶信號，先經(jīng)過放大和2 倍頻，對頻率和帶寬進行第一次擴展，擴展到1000～1600MHz，此時帶寬為600MHz。這里需要進行先濾波，將倍頻過程中產(chǎn)生的多余諧波信號進行濾除，然后經(jīng)過放大器，對倍頻和濾波過程中的功率損耗進行補償。再進行2 倍頻和濾波，得到2000MHz～3200MHz，帶寬8000MHz～12800MHz，帶寬為4800MHz 的寬帶信號。后面再經(jīng)過兩級類似的放大濾波，得到最終需要的4.8GHz 的寬帶信號。

整個倍頻和放大鏈路中，共進行了16 倍頻、放大、濾波，倍頻鏈路的分布為4 級二倍頻，并且每次二倍頻之后都會有對應的濾波器對多余的諧波和雜散進行濾除，保證信號的雜散指標，同時為了使倍頻器能夠正常工作，在每級濾波之后都使用放大器和衰減器對功率進行調(diào)整和補償（圖1）。

圖1 寬帶倍頻工程實現(xiàn)框圖

該實現(xiàn)方法簡單直接，能夠有效的減少硬件用量，需要關注的是倍頻鏈路的設計和放大器與濾波器之間的匹配設計，選擇合適的濾波器對倍頻過程中產(chǎn)生的諧波進行抑制，保證最終輸出寬帶信號的頻普純度。

3 問題分析及解決

工程實踐中遇到的問題歸納下來主要有：（1）帶內(nèi)功率平坦度不夠±1.5dB；（2）諧波分量功率較大，線性度指標由DDS 器件特性進行了保證，基本達到使用要求。

3.1 帶內(nèi)平坦度不足（圖2），可能的原因有：（1）產(chǎn)生波形源本身不平；（2）濾波器不匹配帶來的不平；（3）各級間放大器帶來的不平；（4）無源倍頻器輸入功率不足帶來的不平；（5）其他可能的原因帶來的不平。（1）經(jīng)過對DDS 輸出波形的測量，其輸出波形的功率起伏在1dB 范圍內(nèi)，符合器件本身的特性要求，因此該條故障可能被排除；（2）濾波器進行單獨測量其輸入輸出特性，測量結果滿足設計指標，即帶內(nèi)功率起伏≤1dB 指標，因此該故障可能也會排除；（3）由于倍頻器級聯(lián)之間使用放大器進行功率補償，放大器增益較高，在分級測量過程中發(fā)現(xiàn)，倍頻后的放大器輸出功率起伏較大，超出指標要求±1.5dB 的范圍，進一步排查發(fā)現(xiàn)此處駐波較差，導致輸入到無源倍頻器的功率起伏較大，可能是引起波形帶內(nèi)功率平坦度超過設計指標的原因。因此對電路進行微調(diào)，并配合吸收橡皮的使用，最終將功率起伏控制在指標范圍內(nèi)；（4）經(jīng)過倍頻器級聯(lián)的調(diào)試，對無源倍頻器的輸入功率得到改善，滿足無源倍頻器的輸入功率要求，最終輸出功率起伏在指標要求范圍內(nèi)；（5）其他有可能引起功率起伏的原因還有各級級聯(lián)匹配、連接穩(wěn)定性、濾波器接地性能等。在工程實踐中也是會引起功率起伏過大的原因。

圖2 帶內(nèi)平坦度不足

3.2 諧波分量功率較大（圖3），可能的原因有：（1）濾波器帶外抑制不夠。濾波器帶外抑制主要由濾波器自身的特性決定，濾波器一旦設計定型，只要濾波器裝配良好（包闊射頻通道連接良好和濾波器接地良好兩方面），其帶外抑制特性基本穩(wěn)定，因此排除濾波器帶外抑制的可能。（2）倍頻器諧波抑制指標超差。倍頻器在選型過程中，關注其諧波抑制特性，能夠滿足使用要求，在裝配可靠的前提下，倍頻器引起的諧波指標超差也可以排除。（3）放大器處于飽和或過飽和狀態(tài)。放大器飽和會對信號諧波引起較大惡化，經(jīng)過逐級測量后，發(fā)現(xiàn)放大器在增益級聯(lián)過程中有存在飽和放大的可能，因此在放大鏈路中對各級放大器增益和損耗重新計算測量，對存在飽和的放大器輸入功率進行衰減，使其工作在線性區(qū)，保證信號不被飽和放大。經(jīng)過功率調(diào)節(jié)，最終輸出信號諧波指標滿足指標要求范圍。

圖3 諧波分量功率過大

經(jīng)過對電路的分析和逐級排查，對可能存在的隱患進行調(diào)試和調(diào)整，最終將寬帶信號的平坦度控制在了±1.5dB 范圍，諧波分量控制在-30dBc 范圍，滿足工程使用要求（圖4）。

圖4 調(diào)試完成后測量結果

4 結論

在進行寬帶線性調(diào)頻信號產(chǎn)生設計時，需要根據(jù)項目的實際情況進行斟酌篩選,包括體積、功耗、成本、項目周期等，選擇最適合的方法。然后在工程實踐過程中，對該方法有可能存在的缺陷和漏洞進行優(yōu)化設計，以滿足使用要求為目標進行實現(xiàn)，才能得到最優(yōu)結果。