某相控阵雷达S波段频率合成器设计

李国清 柏光东

(华东电子工程研究所 合肥 230031)

1 引言

随着电子技术的不断发展，各类电子系统对频率合成器的要求越来越高，尤其是对相位噪声、跳频时间、体积及功耗的要求越来越高。对于大型相控阵的雷达来说，频率合成器的重要性不言而喻，频率合成器的性能好坏决定了雷达接收机性能的好坏。而在雷达天线阵面上，电磁环境比较恶劣，频率合成器的性能更可能变差，从而严重影响整个雷达的技战术指标。因此在雷达频率合成器的电路设计中，一定要对强干扰信号加以控制或抑制，并在电磁兼容上综合设计，从而改善雷达的整体性能。

频率合成器是利用各种频率合成技术来产生所需要频率的一种器件，频率合成形式一般分为以下形式:直接频率合成(DS)、锁相环频率合成(PLL)、直接数字合成(DDS)。其中DS因为成本高、体积大现已较少使用;PLL因其较宽的输出频带、优良的频谱纯度等有广泛应用，但频率捷变困难;DDS则有超快的捷变速度和极高的频率分辨率，不足之处为输出带宽有限。本文通过对频率合成器的设计指标和雷达电磁环境分析，采用了全相参直接数字合成的设计方案，结构形式上采用双层屏蔽，可抑制较强的电子干扰。

2 技术指标要求及分析

频率合成器的指标要求如下:

本振和射频信号全相参;跳频时间小于2μs;频率范围为:带宽300M;60个频点;

一本振输出信号幅度23±2dBm;二本振输出幅度信号20±2dBm;

一本振杂波抑制≥60dB;二本振杂波抑制≥60dB;

单边带相位噪声≤ －115dBc(偏载频 kKHz处);

二本振电路体积小于200×100×50(mm)，其他电路体积小于300×300×100(mm)。

关键指标分析:超低空雷达面临很强的地杂波，因此想要从强的地杂波当中分离出有用目标，雷达必须要有很高的改善因子，而MTI两次对消后的改善因子又由下式决定:式(1)中，B为接收机中频带宽(单位Hz);Sφ(f)为单边带相位噪声(dBc/Hz);τ为发射脉冲到接收回波之间的时间(单位s);T为发射脉冲周期(单位s)。因此雷达改善因子和相位噪声直接相关，在设计时除了考虑振荡器的相位噪声外，还要尽量避免热噪声、量化噪声等引起相位噪声的恶化。在时域中，相位噪声表现在正弦波零点交叉处的抖动，如图1所示。

图1 时域中的相位噪声

当频率较高或者信号纯度高时，在时域上就很难加以分辨。在频域中，相位噪声则表现为载频处的噪声边带。如图2所示。

图2 频域中的相位噪声

在规定载频处的单边带相位噪声常常用对数曲线来表示。在频率轴上采用对数刻度，可以很方便的显示大范围频偏的相位噪声。

电磁环境分析:当雷达阵面上所有的发射机同时工作时，峰值功率能够达到几十甚至上百千瓦，空间耦合的信号非常强;而S频标信号从电子方舱经过连接射频电缆送到阵面的低功率铰链，然后再送到放大分配。这么长的传输线容易产生长线效应，极易接收到发射机泄露的信号;且低功率铰链的接地性能和电磁屏蔽性能有个体差异。干扰信号也很容易影响到电源，从而进一步影响频率综合器信号的频谱纯度。为了获得相对准确的数据，使用频谱仪通过一个测试天线测试干扰信号，测试结果证明，干扰信号最高能达到0dBm左右。

温湿度环境分析:阵面上的设备基本上都是露天放置，温湿度环境也很恶劣，尤其是夏天时组件表面的温度能达到50℃以上。

3 设计方案及原理

本合成器采用全相参直接数字合成技术。为实现整机本振和射频信号的全相参，所有射频信号选用同一个晶振源。其中本振电路主要由一本振电路和二本振电路组成，一本振电路直接对输入信号放大后分两路输出;由于雷达体制的原因，二本振电路则先对输入的频标信号进行分频，然后再放大和滤波后输出。

3.1 一本振设计方案

本系统的接收机为超外差二次变频接收机，一本振共计60个频点。具体电路方案如下:80M信号经过分频、倍频、滤波等一系列处理后形成两个频标，p频标和s频标，然后再通过混频器混频形成需要的本振信号，如图3所示。混频器是非线性器件，它的动态范围、隔离度、变频损耗等对系统的动态范围、本振隔离、灵敏度等有着非常大的影响。因此选择合适的混频器是很重要的。本方案采用双平衡混频器，故非线性失真小，还可以降低后面的滤波器的选用要求，从而能把电路做的体积更小，集成度更高。

图3 一本振组成框图

频率综合器的跳频时间主要由跳频控制电路和高速模拟开关共同决定的。在开关后选择窄带滤波器(即声表滤波器)也影响跳频时间。控制电路(EPLD)和高速模拟开关(GaAs)的开关时间一般都在ns量级。对滤波器要求是在满足指标的情况下尽量放大带宽。

3.2 二本振的设计

二本振信号为单点频信号，其具体方案为:来自电子方舱的3520MHz频标信号经一段射频电缆送入二本振电路，经过放大、分频、滤波后产生二本振信号。该信号经一分三功分器功分后，其中两路分别经放大、电阻衰减网络匹配、滤波等电路后送出功率不小于20dBm的二本振信号，另一路则送入故障检测电路中，用于判断二本振功率是否正常。虽然是单点频信号，但二本振的工作在阵面上，干扰强度大，设计难度大。本方案分频芯片选用HITTITE公司的HMC系列(最高工作频率可达12G)，为保证分频芯片能工作在最佳状态，特选用砷化镓集成放大器对输入信号进行放大，它的特点是增益大，杂波抑制指标好，如图4所示。

图4 二本振组成框图

为了尽量避免信号在电缆中传输的干扰，在电路的输入端先选用一个介质滤波器(BW1dB:≥25MHz;插入损耗:≤7.5dB;带外抑制:≥70dB@f0±80MHz)进行滤波，滤波器选用与不选用的效果相差很大，我们做了一个试验进行验证:用两台信号源，一台模拟S频标信号，一台模拟发射机泄露信号，幅度设置为－20dBm左右，然后通过一个二合一合成器合成后，送到放大分配的输入端，如图5所示。

选用滤波器前后的频谱对比情况图6所示，因此滤波器的选用非常必要。

为了提高增益，本振输出支路采用两级放大电路，为了保证输入端的P－1指标，还应设计衰减网络把多余的增益衰减掉。这种设计看似复杂，但是却可以利用两级放大器的反向隔离和衰减器的链路损耗，提高射频电路的反向隔离度。当然，使用隔离器也能实现一定程度的反向隔离。但相比较而言，本方案具有尺寸小、成本低、隔离度更高的优点，而且便于系统一体化集成。最终二本振电路尺寸为150×100×30(mm)。

4 工程设计关键点及实验结果

4.1 电源电路设计

直接数字合成的本振电路中有模拟和数字分频等电路，当数字电路为高频跳变的电流作用时，都会产生一些新增频率成分即杂散，其频谱相当宽，在它们具有共同电源和地线或共用一块印制板时，这些频率成份会通过混频器进入模拟电路产生干扰，再加上射频干扰通过馈电线、空间辐射、印制板耦合等，所以为了尽可能保持频谱的纯净，采用钽电容+电感组合去除高频信号的滤波方式，在实际数字集成电路的每一级电源都应有0.1μF或0.01μF的滤波电容跨接到地。为尽量减小干扰，电源上采用数模电路分开供电，振荡电路一定要有很好的接地及屏蔽，必要时在信号输出端加一个带通滤波器。

实现理想的低功耗比较困难，需要从指标要求、体积、成本等复杂的折衷权衡问题。综合考虑，本次电路选用MC7806BT的高能低耗型稳压电路，代替传统的电阻分压分流方式，既能保证指标要求，又能最大限度的进行降耗处理。

4.2 电磁兼容和结构设计

由于阵面上的电磁环境比较恶劣，因此，电磁屏蔽技术是结构设计的关键技术之一。电磁屏蔽按屏蔽对象不同分为主动屏蔽和被动屏蔽，主动性屏蔽是屏蔽干扰源，以限制其有害的电磁能量向外发射;被动性屏蔽是屏蔽敏感设备，减少外部电磁干扰影响是屏蔽敏感设备，以减少外部电磁干扰影响其正常工作。

我们知道凡是场干扰都可以用屏蔽的方法来削弱其影响。影响屏蔽完整性的因素是屏蔽体的接缝泄漏，其强度表达式:

式(2)中H为从缝隙漏出的磁场强度(单位A/m);H0为缝隙屏蔽的磁场强度(单位A/m);t为缝隙深度(单位m);g为缝隙宽度(单位m)。

由此可见，对频率合成器电路而言屏蔽设计的关键是保证壳体的密封性、导电性。据此，我们在电磁兼容和结构设计上采取以下措施，以降低干扰源到具体电路的电磁辐射干扰。

图7 电路结构实物图

频率合成器电路的壳体采用导电性能良好的一整块铝板扣出，避免了通孔和缝隙带来的密封性问题。用导电性能良好的铝壳体将一本振和二本振包围起来，以隔离其与外界电的、磁的或电磁的相互干扰，尤其是外界对它的干扰;一本振电路和二本振电路分别放在不同的模块中并用铝板隔开，如图7所示。

壳体的盖板处采用扣槽填导电密封条的方法进行密封，扣槽深度较深且窄，以减少接缝泄漏，必要时可在盖板四周贴装吸波材料;盖板的螺钉间距小于发射频率的二分之一波长，盖板与壳体四周接触处以及螺钉孔喷涂导电材料，以保证盖板和壳体的可靠接触。

壳体的对外接输入输出接口等射频连接器均采用螺纹密封连接，避免采用快速的盲配等卡口连接方式而带来的连接缝隙。接插件之间的连接缝隙会严重降低壳体的屏蔽特性。

频率合成器信号的输入输出电缆均选用双层屏蔽电缆，电源等控制信号电缆选用带屏蔽层的双绞线ASTVRP系列，多根双绞线外层再加上一层屏蔽套管。

4.3 实验结果

电路经过调试后，指标测试符合要求，部分指标测试情况如表1所示。

表1 本振测试结果

跳频时间测试结果:1.3μs，满足设计要求，如图8所示。

从图9中可以看出，一本振单边带相位噪声:1kHz处 接 近 －120dBc/Hz，100kHz处 接 近－130dBc/Hz，杂波抑制都≥60dB，达到了设计要求。

5 结束语

本文通过对某相控阵雷达阵面的电磁环境进行详细分析，根据技术指标要求，对一本振和二本振电路进行了具体的设计和分析，尤其是对本振电路的电源和电磁兼容等关键点设计进行了详细论述，有针对性的采取了解决措施。频率综合器的设计，总体上满足设计指标要求，具有高频率稳定度、低相位噪声、快频率捷变时间、体积小、集成度高、抗干扰性能强等特点，对同类型的设计有借鉴意义，有一定的推广价值。

[1]张伟峰.振荡器频率不稳定的因素及稳定方法[J].信息通信，2011，5:115 －117.

[2]尹华侨，蔡伟营.某相控阵雷达发射校正系统的电磁兼容设计[J].中国科技信息，2008，20:40～41.

[3]Brian Cheng.射频通信测试中的信号发生器频谱纯度分析[J].现代电信科技，1999，9:26～30.

[4]张琳.S波段直接全相参频率源的研制[J].现代电子，1996，3:43 ～49.

[5]GAO Shuting，GAO Feng，XU Shengwang，et al.The Design and Analysis of Synthesized Frequency Source[M].Beijing:Ordnance Industry Press，2008.

[6]Jerome L.N.，Bhavana T.，Jonathan M.A.，1.9 GHz Low Noise Amplifier[C]//EECS 522 Analog Integrated Circuits Project.2002:1 －6.