頻控陣雷達頻率合成器技術研究與設計

諶志強　陳起　雷敏杰　吳延群　黃起昌

【摘 要】頻控陣雷達作為近年來提出的一種新體制雷達，其對頻率合成器的需求與傳統(tǒng)的相控陣雷達對頻率合成器的需求較為不同;頻控陣雷達頻率合成器除了陣列雷達所需求的相位相參性要求以外，還對各個通道輸出信號頻率及對應通道頻率偏移也提出了新的要求。本文以頻控陣雷達對頻率合成器需求為前提，研究并設計了幾種直接數(shù)字頻率合成器與鎖相環(huán)相結合的頻率合成器方案，對其原理及性能指標等進行分析對比，并給出應對不同頻率特性需求的設計建議。

【關鍵詞】頻控陣雷達;頻率合成器;鎖相環(huán);直接數(shù)字頻率合成器

中圖分類號： TN952 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）22-0011-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.004

1 頻控陣雷達簡介

頻控陣雷達技術是近年來提出的一種新體制陣列雷達技術。與相控陣雷達以及傳統(tǒng)雷達相比，頻控陣雷達通過在不同的輸出通道上附加很小的頻偏，使其發(fā)射波束方向圖成為與時間、角度和距離相關的函數(shù)[1]。

2 頻控陣雷達基本原理及其特點

頻控陣雷達與相控陣雷達在發(fā)射信號特性中有著相同的特點，即它們都發(fā)射陣列的相參信號，但是頻控陣雷達與相控陣雷達最大的區(qū)別在于相控陣雷達發(fā)射的相參信號是頻率相同的信號，而頻控陣發(fā)射的是頻率不同的信號，并且其信號特點是頻控陣陣列發(fā)射出的信號具有相同的載頻，但是每個陣元發(fā)射出的信號都附加了很小的頻偏[2]（頻率偏移量遠遠小于其載頻信號）。

頻控陣雷達陣列結構如圖1所示：

其中，f1與R1分別表示為信號的發(fā)射頻率以及探測目標到第一個陣列陣元的距離;Δf表示相鄰兩個陣元發(fā)射信號的頻率差;R2表示目標到第二個陣列陣元的距離;θ表示信號的方位角;d表示相鄰兩個陣元的間距。

式（1）中，第一項是傳統(tǒng)相控陣陣元間的相位偏移量;第二項表示相位偏移量隨著距離R1和頻偏的變化而變化，即頻控陣波束方向圖具有距離依賴性，這就是頻控陣所具備的最為重要的特征，也是頻控陣雷達相較于其它雷達所具有的最為鮮明的特點以及優(yōu)勢;第三項表示不同陣元發(fā)射相同載波以及不同微小頻偏信號所形成的相位偏移量。

3 頻控陣雷達頻率合成器設計及性能分析

頻控陣雷達頻率合成器不同于一般的頻率合成器，其必須同時具備以下三個特點[3]：

（1）頻率合成器輸出的多路陣列信號具有相位相參性。

（2）頻率合成器輸出的多路陣列信號具有相同載頻與不同頻偏。

（3）頻率合成器輸出的多路陣列信號頻偏量遠遠小于載頻（頻偏一般為kHz信號，載頻一般為GHz信號）。

以下設計方案均是滿足于上述要求的頻率合成器結構。

3.1 頻控陣雷達頻率合成器設計

3.1.1 DDS激勵鎖相環(huán)結構

基于DDS激勵鎖相環(huán)的頻率合成器方案在頻率合成中是常見的設計方案（以下簡稱方案一），設計原理框圖如圖2所示：

由于DDS輸出信號具有極高的頻率分辨率，可以遠遠小于，且設定不同陣列DDS輸出信號具有相同的及不同的，所以輸出的陣列信號具有相同的載頻以及不同的頻偏，并且頻偏遠遠小于載頻。

3.2 頻控陣雷達頻率合成器性能指標分析

頻控陣雷達頻率合成器性能指標主要包含陣列信號頻率構成、相位相參性、頻率范圍、頻率分辨率、相位噪聲等[4-5]。

首先進行陣列信號頻率構成、相位相參性及相位噪聲分析：

陣列信號頻率構成：通過3.1節(jié)的原理分析及式3、4、5及6可知，以上方案所輸出的陣列信號均能滿足頻控陣雷達頻率合成器陣列信號頻率構成特點;

相位相參性：當對圖2、圖3、圖4及圖5頻率合成結構復制形成陣列，并使用同一參考信號源fclk進行陣列信號輸出時，由于使用了同一參考信號源，且DDS輸出信號具有極強的頻率調諧作用，輸出的陣列信號將具有相位相參性[6];

相位噪聲：系統(tǒng)輸出信號相位噪聲取決于各模塊自身相位噪聲特性。通常系統(tǒng)所提供的參考信號fclk相位噪聲特性足夠優(yōu)異，所以整個系統(tǒng)輸出信號相位噪聲除受倍頻或分頻的惡化或優(yōu)化以外，主要取決于系統(tǒng)中相位噪聲最差的模塊;各模塊的相位噪聲特性則根據(jù)系統(tǒng)輸出信號相位噪聲目標參數(shù)、工程成本、元器件型號、工藝等多方面參數(shù)決定，此處不再過多討論;但總體要求是相位噪聲參數(shù)越小越好越有利于系統(tǒng)應用。

以下將對不同結構的其他性能指標進行分析。

3.2.1 DDS激勵鎖相環(huán)結構特點

DDS激勵鎖相環(huán)結構中，DDS與鎖相環(huán)相互獨立。DDS輸出信號作為鎖相環(huán)鑒相參考信號，環(huán)路輸出信號將跟蹤DDS輸出信號特性;由式3可知，使用R及N分頻器將DDS輸出信號倍頻得到系統(tǒng)輸出信號（實際系統(tǒng)中，N/R通常為定值），所以系統(tǒng)輸出信號頻率范圍較寬;并且頻率分辨服從倍頻N/R關系，頻率分辨率也較高;環(huán)路鎖定時間由鎖相環(huán)決定，為毫秒級別。

3.2.2 環(huán)內混頻鎖相環(huán)+DDS結構特點

環(huán)內混頻鎖相環(huán)+DDS結構中，DDS與鎖相環(huán)不再相互獨立。DDS與VCO輸出信號混頻后輸入鑒相器，與鑒相參考信號fclk共同驅動VCO，形成環(huán)內混頻閉環(huán)回路。由式4可知，在N/R及參考信號fclk保持不變的前提下，該結構頻率可調范圍即為DDS輸出信號頻率范圍，所以該系統(tǒng)輸出信號頻率范圍較窄;且頻率分辨率完全由DDS決定，所以頻率分辨率也極高;環(huán)路鎖定時間由鎖相環(huán)決定，為毫秒級別。

3.2.3 環(huán)外混頻鎖相環(huán)+DDS結構特點

環(huán)外混頻鎖相環(huán)+DDS結構中，DDS與鎖相環(huán)相互獨立。DDS與鎖相環(huán)驅動的VCO輸出信號混頻后直接作為系統(tǒng)輸出;該結構相當于將DDS輸出地較低頻信號搬移到鎖相環(huán)輸出的高頻信號之上，系統(tǒng)輸出信號特性由鎖相環(huán)及DDS共同決定。由式5可知，其頻率構成與式4完全相同，系統(tǒng)輸出信號頻率范圍較窄;頻率分辨率由DDS決定，所以頻率分辨率極高;環(huán)路鎖定時間由DDS決定，為納秒級別;且近端雜散較為嚴重。