低噪声多功能雷达激励信号源设计

李　济

(安徽博微长安电子有限公司, 安徽 六安 237010)

0　引　言

随着科学技术的发展，现代雷达工作环境的电磁干扰日益严重。为了适应复杂的电磁环境，扩大接收机的瞬时动态范围，加强对小目标的提取能力，现代雷达对激励信号源的低杂散、低相噪提出了更高的要求。[1]同时，为了提高对不同干扰源的处理能力，也要求激励信号具有波形可选、频率捷变等功能。[2]因此，采用先进的直接频率合成技术(DDS)和高速大规模集成电路等新技术、新器材设计出低杂散、低相噪的多功能雷达激励信号源是现代雷达成功设计的关键因素之一。

1　激励信号源设计

1.1　方案设计

首先，采用基于DDS技术的波形产生电路可以产生低载波的中频脉冲式雷达波形信号，可以根据控制信号不同，实现脉冲宽度、周期和脉内调频、调相方式等多种选择功能。因此，雷达激励信号的波形可选择性是在波形产生电路中实现的。其次，雷达波形信号与本振信号进行混频，将频谱搬移到射频段。通过变化本振信号的频率和相应的滤波电路，可以实现雷达的频率捷变功能。最后，用不同的滤波器分别滤除掉互调、杂散等无用信号，并对有用信号进行功率放大、匹配输出，即成为L波段雷达激励信号。图1为L波段雷达激励信号源原理框图。

1.2　硬件电路设计

该方案按不同功能将电路分割成多个模块，模块间用高频电缆传输信号，可以有限地防止相互间信号串扰。同时，需要对每个模块的电源进行噪声隔离设计。该方案中关键电路是波形产生电路和上变频电路。

(1) 波形产生电路设计

电路中使用的主要器件为FPGA和DDS。FPGA选用Altera公司的 EPF10K100ARI240-3，完成控制逻辑关系运算功能和数据存储功能，以及对DDS的初始化和动态配置。DDS选用ADI公司的AD9854ASQ，在不同信号控制下，可以产生多种形式的脉冲雷达波形信号。波形产生电路框图如图2所示。

(2) 上变频电路设计

上变频电路完成频谱搬移功能。选用Mini-circuits公司双平衡混频器ADE-30，本振电平7 dBm，具有转换插损小、端口间隔离度高等优点。混频电路原理图如图3所示。设计上变频电路时，指标上要保留一定的余量，并且注意阻抗匹配，保证在宽温范围内指标合格，不会发生自激现象。

2　关键技术参数分析计算

2.1　杂散抑制度

该激励信号源对杂散抑制度要求是≤-65 dBc。杂散信号主要来源于DDS工作产生的杂散信号和混频电路的互调信号。

DDS时钟信号为300 MHz，输出信号频率70 MHz，输出信号频率在时钟信号频率的1/4～1/8之间，处于输出信号中杂散最小的频带内。DDS输出信号频谱规划图如图4所示[3]。

从图4可以看出，DDS输出的频谱非常丰富，包括中频信号的多次谐波(图中的H2、H3……)、中频信号与采样时钟的镜像信号，以及各次谐波与采样频率组合频谱(图中的IM2、IM3……)。其中，影响较大的是fs-f0=230 MHz、二次谐波H2=140 MHz和三次谐波H3=210 MHz，因距离中频信号f0较远，可通过过渡带比较陡峭的椭圆函数滤波器将其滤除掉，而其他杂散信号因多次镜像后幅度较小而影响较小。

上变频电路中，中频信号为70 MHz，本振信号为1 600 MHz，混频后取相加信号1 670 MHz为有效信号。其互调信号中影响较大的有相减信号频率为1 530 MHz、二次镜像信号和DDS时钟信号频率为300 MHz。这些与1 670 MHz相距较远，可以用滤波器滤除掉。

2.2　相位噪声

该激励信号源对激励信号相位要求噪声是≤-130 dBc/Hz@1 kHz。要保证指标要求，必须保证整个链路中各级电路的相位噪声都能满足指标要求，其中影响较大的是波形产生电路和上变频电路。

波形产生电路中DDS时钟信号和器件自身噪声基底影响较大。DDS时钟是用100 MHz恒温晶振作为基准信号，通过3倍频直接合成300 MHz，其相位噪声恶化了20lg3≈10 dB。选用的晶振相噪指标为-160 dBc/Hz@1 kHz，所以时钟信号相噪指标没有问题。从选用的AD9854数据表中可以查到，在300 MHz时钟下输出70 MHz信号时器件本身相位噪声在-130 dBc/Hz@1 kHz以下[4]。因此，波形产生电路输出的信号可以达到要求的相噪指标要求。

上变频电路中，本振信号的相噪主要取决于频率变换时产生的相噪恶化，其恶化规律可认为满足公式(1)：

(1)

式中,θnOUT(t)为频率变换后的信号相位噪声，θnIN(t)为频率变换前信号的相位噪声。

前述相位噪声为-160 dBc/Hz@1 kHz的晶振为信号基准，通过倍频、混频等方式直接合成本振信号，其中最大倍频次数为1 600÷100 MHz=16倍。理论上相噪恶化20lg17≈24 dB，倍频链路有3 dB左右附加损耗，这样本振信号相位噪声满足指标要求。

中频信号与本振信号进行混频，再经放大后出射频信号。混频为两信号线性叠加，放大器为功率放大。混频后的射频输出信号的相位噪声可认为满足：

(2)

式中，θnOUT(t)为混频后的射频信号相位噪声，θnIF(t)为参加混频的中频信号的相位噪声，θnLO(t)为参加混频的本振信号的相位噪声。根据公式(2)计算下来，激励信号的噪声可达-130 dBc/Hz@1 kHz以下，满足系统要求。

采用Keysight Technologies N9030A PXA信号分析仪进行宽带杂散和带内信噪比测试，测试结果分别如图5、图6。采用R&S公司的FSUP26信号源分析仪进行相位相位噪声测试，测试结果如图7。对激励信号的线性调频和非线性调频功能进行测试，测试结果如图8。可以看出，实测结果符合理论设计指标。

图5为实测输出信号1 670 MHz线性调频信号宽带杂散的频谱图。从图5可以看出，扫宽200 MHz内杂散抑制度达到65 dB以上，满足设计要求。

图6为实测输出信号1 670 MHz线性调频信号视频带宽1 kHz的频谱图(视频带宽VBW和分辨率带宽RBW设置10 Hz)。杂散抑制度达68 dB以上，满足设计要求。

图7为实测输出信号1 670 MHz单载频相位噪声图，相位噪声达到130 dBc/Hz@1 kHz以上，满足设计要求。

图8为实测输出信号1 670 MHz的线性调频和非线性调频两种调频状态，实现了激励信号的多种功能。

4　结束语

该方案采用数字波形产生、上变频、功率放大和滤波电路，成功设计实现了一款L波段雷达激励信号源。经实测，激励信号的杂散和相噪指标达到了预期指标要求，同时激励信号还具有波形可选、频率捷变等多种功能，集成化程度高，可靠性高，满足某新型雷达的工程使用要求。