任亞欣 由法寶 于 萌 謝 敏
(西安電子工程研究所 西安 710100)
雷達頻綜技術屬于頻率源技術的一個分支,是將一個或者多個參考信號經(jīng)過一系列混頻、倍頻、分頻、濾波等,最終輸出雷達需要的頻率的過程。經(jīng)過國內外技術人員的不斷研究和探索,頻率源技術主要包括直接式頻率合成技術(Direct Frequency Synthesize)、直接數(shù)字式頻率合成(DDS)、間接式頻率合成技術、混合式頻率合成技術。這些技術各有優(yōu)缺點,因此在實際方案設計中需要結合實際需求進行選擇和取舍,以達到指標要求為前提,綜合考慮體積、成本、進度等制約因素,最終確定頻綜方案設計。
本文以某Ku波段寬帶雷達需求為例,對雷達頻綜方案設計進行探討。
某Ku波段寬帶雷達頻綜需為雷達提供各種相參基準信號、發(fā)射激勵信號、接收本振信號和接收中頻信號等。其主要功能如下:
1)以晶振信號為基準,為信處產(chǎn)生相參時鐘信號;
2)以晶振信號為基準,為收發(fā)產(chǎn)生變頻需要的一本振和二本振信號,其中二本振信號頻率選定為點頻FGHz,一本振頻率為FGHz,帶寬2G,跳頻步進100 MHz;
3)將650 MHz~1150 MHz調頻信號上變頻至Ku波段,功率放大后輸出;
4)具有自檢功能:在工作過程中能夠響應中心機的指令,將自身的狀態(tài)信息進行分類、編碼及上報;
5)輸出頻率為Ku波段,輸出相噪要求不低于90 dBc/Hz@1 kHz,輸出雜散優(yōu)于65 dBc。
經(jīng)過對需求分析可以看出,頻綜需要實現(xiàn)100 MHz的步進信號,通過變頻將調制信號上變頻到Ku波段;經(jīng)過混頻、濾波、放大等,使得輸出信號指標滿足相噪和雜散的要求;產(chǎn)生相參時鐘信號;選用功率控制器件來實現(xiàn)STC和AGC的功能;選用FPGA或者CPLD等器件來實現(xiàn)通訊、自檢狀態(tài)信息分類和編碼上報功能。
在頻綜設計過程中,最重要的環(huán)節(jié)就是變頻方案的確定,因為變頻方案對頻綜的相位噪聲、雜散等各項指標都有著決定性的作用。
下面我們就變頻環(huán)節(jié)對頻綜指標的影響進一步分析。在頻譜搬移混頻的環(huán)節(jié),可以通過以下幾種方案來實現(xiàn):
1)兩次變頻均取上邊帶進行變頻;
2)兩次變頻均取下邊帶進行變頻;
3)先取上邊帶再取下邊帶;
4)先取下邊帶再取上邊帶。
頻綜變頻方案框圖如圖1所示。
圖1 頻綜變頻方案框圖
上下邊帶的選擇對波形斜率、雜散、相噪都會有影響。
混頻在頻域上看,實際上是頻率的相加減,混頻器的輸出在沒有經(jīng)過濾波處理之前,通常輸出的頻譜圖如圖2所示。
從圖2中可以看出,在進行頻譜搬移和濾波選取的過程中,取上邊帶還是取下邊帶,會對調頻信號的斜率產(chǎn)生影響,這正是由于上下邊帶取加還是取減造成的。在信處對回波信號進行處理時需要關注斜率的正負問題。
圖2 混頻頻譜搬移示意圖
頻綜設計中的雜散分析主要由頻率在混頻和放大過程中產(chǎn)生的交互調?;祛l器在頻綜系統(tǒng)中主要負責頻率的搬移功能,在頻域上起加法器或減法器的作用,頻域上的加減法在時域上表現(xiàn)為兩個信號的乘積,基本模型可以描述為
(1)
式(1)中cos和cos分別代表混頻器的兩個輸入信號,只要電路中構成這兩個信號的乘積,理論上就可以實現(xiàn)頻率的加/減。
由于寬帶信號經(jīng)過功率放大后,會有諧波分量的存在。在混頻過程中,除了需要的信號存在以外,還會有諧波分量也參與混頻,所以必須經(jīng)過計算避免低階交調信號落在信號帶內,從而避免影響最終信號的性能。而大帶寬信號在進行交互調選擇時更加困難。
上下邊帶的選擇對雜散性能的影響示意圖如圖3所示。
圖3 寬帶信號的諧波分布示意圖
從圖4可以看出,經(jīng)過混頻器后,交互調信號將會出現(xiàn)大量的混疊雜散,為了避免低階雜散落入工作帶內,需要進行細致的頻率劃分來避免低階雜散落入工作帶內。
圖4 與本振進行混頻后的頻譜分布示意圖
相位噪聲是短期頻率穩(wěn)定度的表征,是由多種形式的隨機噪聲源對信號的相位產(chǎn)生了調制而產(chǎn)生的,他會占用一定的頻率帶寬。在頻綜系統(tǒng)中混頻、倍頻、分頻均會對相位噪聲產(chǎn)生影響。
混頻器的相位噪聲影響:0()=1()+2(),即混頻器對兩個輸入信號的相位噪聲進行了加減運算。
倍頻器的相位噪聲影響:0()=(),倍頻器的功能是將輸入信號的頻率乘以倍頻次數(shù),在實際電路中,不僅使輸入頻率乘以,同時還使輸入信號的相位噪聲也乘以了。
從相位噪聲的特性來看,在參考輸入頻率一定的情況下,倍頻次數(shù)越高或者產(chǎn)生越高的頻率,其相位噪聲惡化越多,相位噪聲指標越差。因此,低頻率的本振混頻能夠很好地保證相位噪聲指標。但是在滿足相噪指標要求的前提下,使用高頻率作為本振來避免交互調雜散,也是可行的。
經(jīng)過上述分析總結出不同變頻方案對頻綜指標的影響關系,詳見表1所示。
表1 變頻方案及頻綜指標對比表
本方案設計中,由于中頻帶寬較大,雜散指標成為必須關注的重點;同時下邊帶+下邊帶的方式能夠保證輸出信號的斜率與輸入信號一致,減少斜率變化帶來的問題。因此本方案選擇了下邊帶+下邊帶的方案來優(yōu)先保證雜散的性能指標。其相噪指標經(jīng)過設計分析能夠滿足系統(tǒng)90 dBc/Hz@1 kHz的要求。不足之處是成本在幾個方案中較高。
結合現(xiàn)有的頻綜設計手段,根據(jù)雷達頻綜功能需求,對頻綜實現(xiàn)技術方案進行分析,如表2所示。
表2 雷達頻綜實現(xiàn)技術方案分析表
經(jīng)過工程驗證,產(chǎn)生的信號雜散指標如圖5所示。
圖5中分別抽取了高、中、低三個頻點進行測量,可以從測量結果看出,輸出信號的雜散指標在觀測帶寬范圍內達到70 dBc,滿足指標≤65 dBc的要求。
圖5 頻率綜合器輸出信號測量圖
實際設計過程中,需要對體積、成本、指標、周期等綜合考慮。針對雷達頻綜指標要求,設計多種實現(xiàn)方案,根據(jù)實際情況選擇合適的方案來實現(xiàn)指標。如果指標要求中某項關鍵指標特別苛刻,為了關鍵指標的實現(xiàn),對應的可選方案也會有限。合理的頻率源設計不僅能夠滿足各項技術指標,還應考慮可靠性、電磁兼容、經(jīng)濟價格、體積、重量、功耗及使用環(huán)境等多方面問題,需要綜合考慮取舍來確定方案。