毫米波段宽带信号源的设计与实现*

吕 波,都学新,李武军,罗小平

(军械工程学院光学与电子工程系,河北石家庄 050003)

0 引 言

相对于微波频段雷达,毫米波雷达工作波长更短,因此它的设备体积小、重量轻、机动性能好,并能够提供较高的测量精度和良好的目标分辨率;同时,毫米波雷达不易受到电子干扰,具有较强的穿透云、雾和灰尘的能力,因此适合于全天候工作[1].目前国内外大量的军用或民用雷达都逐步发展到毫米波频段.

对于数量日益庞大的毫米波雷达,如何快捷地测量雷达的灵敏度指标变得尤为迫切.目前雷达灵敏度测试通用的方法是:利用信号源产生高频能量注入到雷达接收机,逐渐降低信号源输出功率,直至接收机输出信噪比达到1∶1,此时注入到雷达接收机的功率电平即为雷达灵敏度[2].根据这种测试方法,如果采用通用的仪器作为测试信号源,成本将极其昂贵.例如安捷伦公司生产的40GHz的模拟信号源E8257D,价格高达50万元人民币,显然不适宜于普通用户,因此研究专用信号源迫在眉睫.目前有大量的文献研究高性能信号源的设计与开发,但是能够达到毫米波频段的却很少.文献[3-4]设计的毫米波信号源只具有频率控制的功能,功率控制和脉冲调制功能无法实现.此外文献[4]设计的信号源体积较大,由两个机箱组成,且成本较高,显然不适宜于便携式检测设备使用.因此,本文为满足毫米波段雷达的灵敏度测试需求,设计了一种小型化、低成本、数字控制的微波信号源.

1 指标要求及方案选择

1.1 设计指标

①频段:8 mm波长;②带宽:2GHz;③输出功率:≥+7 dBm;④功率控制:变化范围≥30 dB;⑤输出信号形式:连续波、简单脉冲信号;⑥最小脉冲宽度:≤0.1μs;⑦接口形式:串口(频率控制), 2.92 mm K型接头(射频信号).

1.2 方案选择

目前微波信号源的设计可采用DDS、DRO、PLL和直接倍频等几种方法.直接倍频方式由于输出频率不可程控,且体积庞大,显然不可采用.DRO方式调谐带宽较窄,且频率稳定度较差,也不适合雷达灵敏度的测试.DDS方式对工作频段在1GHz以下的雷达比较适合,当针对更高频率的雷达时,需增加多个倍频、滤波单元,限制其应用范围.PLL方式输出频率可大范围程控,步进频率kHz量级足够满足雷达灵敏度测试的需要,且体积小、成本低,非常适合用作雷达检测信号源.因此便携式雷达性能检测仪优选PLL来实现微波信号源.

2 信号源设计与实现

2.1 结构与工作原理

图1为信号源的整体组成框图.单片机负责接收上位机送来的频率控制命令,并译码,转换为PLL芯片所需的串行频率控制字.PLL负责产生X波段的基频微波信号,基频信号在经过4倍频即得到毫米波频段的输出频率.

由于毫米波频段的可调衰减器、微波开关价格昂贵,安装焊接工艺要求极高,因此信号源的功率控制、脉冲调制功能单元放在 4倍频器前,以较低的成本和较高的可靠性实现了所需的功能.当4倍频器前的开关关闭时,只有很小的功率泄漏进倍频器,由于达不到倍频器输入功率的要求,不会有毫米波信号输出;当开关打开时,开关的插损是很小的,于是 4倍频器可获得足够大的输入功率,产生较大功率的毫米波信号.微波开关速度极快,从而实现了小占空比脉冲调制输出信号的功能.为实现精确的窄脉冲调制,脉冲调制控制字直接由上位机送给高隔离开关芯片,而不经过单片机转发,以避免单片机程序执行所引起的调制脉冲宽度不准.四倍频器前串接的压控衰减器负责控制毫米波信号源的输出功率,以便进行毫米波雷达的灵敏度测量.

图1 信号源原理组成框图Fig.1 Block diagram of designed signal source

图2 单片机端口配置Fig.2 Definition of MCU ports

4倍频器采用两级有源二倍频器的串联的方式实现.由于有源倍频器输出功率较大,因此只需要在X波段将PLL的输出功率放大到足够的功率电平,可驱动第一级倍频器,后续第一级倍频器输出的功率不需放大即可推动第二级倍频器,第二级倍频器的输出功率不需放大即可满足大于7 dBm的系统指标要求.这样,既简化了电路设计,省掉一个 Ku波段和一个 Ka波段放大器,又提高了信号源自身的可靠性.

C8054F340为系统采用的单片机.它有5个P口,内部集成有振荡器、10位ADC和两个比较器, 70%的指令占用1～2个系统周期,具有64 k的flash和4 k的RAM,可在线调试程序[2].图2为单片机工作原理图,端口P0.4、P0.5与上位机相连,实现频率控制;P0.6、P0.7为信号源的状态反馈信号,反映信号源是否失锁、目前程序是否执行中等.P3.2、P3.3和P3.4依次连接PLL芯片的CLK、DATA和LE端口.

2.2 锁相环电路设计

PLL部分的原理图见图3所示.ADF4107为 AD公司生产的宽带 PLL芯片,最高工作频率可达7GH z.它内部集成有鉴相器、R分频器和N分频器等,通过CLK、DATA和 LE三线串口进行频率配置.按照器件要求,上电后依次配置初始化寄存器、功能寄存器、参考寄存器和AB寄存器.其中,初始化寄存器和功能寄存器负责配置预分频系数P、VCO调谐极性、电荷泵输出电流大小、CP输出状态和快锁模式选择等等;参考寄存器主要完成参考分频系数 R的配置.由于信号源要求的跳频间隔为1MHz,于是选择PLL的鉴相频率为0.25MHz,这样4倍频后频率间隔即为1MHz.设计中使用50 MHz的参考晶振,于是R分频系数就等于

图3 PLL部分原理图Fig.3 Schematic of PLL

在固定点频工作模式下,AB寄存器的配置可根据公式求解.

式中:fVCO为外部压控振荡器的输出频率;fREFIN为参考晶振频率,fREFIN/R=0.25MHz就是鉴相频率;P为双模预分频系数,它由功能寄存器配置,其选择的原则如公式所示.

由于信号源工作在跳频模式,因此AB寄存器的配置需要根据上位机的频率控制字实时更新,并同时满足公式(2),(3)的限制条件.

压控振荡器型号为HMC510,它是Hittite公司生产的8.45～9.55GHz宽带VCO,具有2分频和4分频输出功能.利用它的2分频输出送入PLL芯片,以满足ADF4107最大工作频率上限7 GHz的要求,从而省去外置分频器的成本和节约电路板空间.VCO在8.45～9.55GH z频率范围内所对应的调谐电压范围为2.5～11 V,因此PLL必须采用有源环路滤波器,见图3中虚线框内部分.为了提高输出频谱的相位噪声性能,环路滤波电路中的电压放大器需采用超低低噪声运算放大器.

2.3 功率控制和脉冲调制功能的实现

为了精确测量雷达的灵敏度,信号源的输出功率必须能够连续准确改变.此外,考虑到PLL输出的信号为连续波,而目前绝大部分雷达工作于脉冲模式,因此为了能够测试脉冲雷达的灵敏度,检测信号源还必须具备脉冲调制的功能.功率控制及脉冲调制功能实现的原理见图4所示.

图4 功率控制和脉冲调制电原理图Fig.4 Schematic of pow er control and pulse modulation

图5 压控衰减器接口电路Fig.5 In terface circuit of voltage-variable attenuator

采用宽带微波压控衰减器HMC346LP3来实现输出功率的精确调整.该芯片工作频率范围可达DC～14 GHz,衰减范围0～30 dB,插入损耗约2 dB.该压控衰减器采用-3～0 V的负电平控制衰减量,因此必须采用图5所示的接口电路将0～+3 V的控制电平转换为-3～0 V的控制电平.

采用数控开关来实现脉冲调制功能.为了模拟高重频窄脉冲雷达的回波,数控开关的速度要求非常快,达到ns量级. HMC347LP3为本设计选用的开关芯片,其开关速度优于6 ns,完全满足0.1μs量级的脉冲调制需求;工作带宽为DC～14GHz,隔离度达47 dB[5].

图6 串口通信接口电原理图Fig.6 Schematic of serial communication in terface

2.4 串口接口电路

PLL的频率控制通过串口与上位机通信,图6给出了采用MAX232的串口通信硬件电路原理图.因为MAX232具有驱动能力,所以不需要外加驱动电路.它内部集成有一个电源电压变换器,可以把输入的+5 V电源变换成RS-232输出电平所需的 ±10 V电压.MAX 232外围仅需4个钽电解电容C1、C2、C3和C4,取值均为1μF;C5为0.1μF的去耦电容[10].

2.5 程序设计

图7 信号源软件流程图Fig.7 Flow chart of signal source's software

单片机加电后,首先进行单片机初始化配置.将P3口均设置为非模拟输入,推挽输出模式;设置串口工作于方式2,允许串口中断;设置定时器1工作于模式2,配置串行通信波特率为9 600 bps;关闭看门狗和不需要的复位源及中断,然后进入主程序.

主程序是一个大循环体.首先通过串口接收频率控制字并保存;计算出锁相环AB寄存器的A值和B值;依次配置PLL芯片的初始化寄存器、功能寄存器和参考寄存器和AB寄存器.当一次频率配置结束后,返回一个高电平给上位机,告之本次频率配置结束,可以进行新的频率配置.此时,如果上位机送来新的频率控制字,单片机将会响应新的串口中断,并重新配置PLL.

每次频率配置完毕后,PLL还返回上位机一个 LOCK信息.如果PLL处于锁定状态,则LOCK输出端为高电平,否则为低电平.上位机在每次发送完一次频率控制字1 ms后都要去判断LOCK是否为高:如果为高,说明PLL工作正常,已经锁定;否则,PLL异常,未锁定,报告信号源故障.

在整个程序中最为复杂的是 PLL分频系数N的计算和AB寄存器的配置.鉴相频率选为0.25 MHz,假设信号源最低输出频率为34GHz,则PLL输出频率为8.5GHz,N=34 000.首先将它存入地址40H和41H中,用N值除以P值,商即为AB寄存器中的A值,余数即为B值.其中P值是根据公式确定的.

整个单片机控制程序流程如图7所示.

3 测试结果

3.1 输出功率测试

在频率为35GHz情况下,实测信号源的输出功率变化范围可达 -46～+7.5 dBm,配合使用固定衰减器,可以实现更大范围的输出功率控制.

3.2 调制特性测试

开关关闭时,实测隔离度为50 dB.

3.3 输出频谱测试

相位噪声性能优良,测试结果见图9所示,可达到 -60 dBc/Hz/250 kHz,-95 dBc/Hz/1 MHz,完全可以满足雷达灵敏度测试信号源的要求.

图8 信号源原理样机Fig.8 Prototype of designed signalsource

图9 输出频谱测量结果F ig.9 Test result of frequency spectrum

4 结 论

本设计的雷达检测信号源体积小、重量轻,输出功率、频率、信号形式均可控,既可单独使用,通过计算机串口进行控制,也可配合其它板卡组成综合性雷达性能检测设备.该信号源以极低的成本实现对雷达灵敏度指标的测量,因此经济效益非常明显.

[1] 阮成礼.毫米波理论与技术[M].成都:电子科技大学出版社,2000:1-30.

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