微波线性调频源

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1、2 0 0 5 + 全国微波毫米波会议论文集微波线性调频源赵芳丽唐小宏( 电子科技大学电子工程学院成都6 1 0 0 5 4 )摘要：本文基于D D S + 上变频的频带扩展原理，提出了一种大带宽捷变频微波线性调频源电路，阐述了电路实现的可行性，将D D S 和P L L 以及正交调制器结合使用，取K 补短。本方法使电路设计简单、经济。关键字：线性调频( L F M )直接数字合成( D D S ) 锁相环( P L L ) 正交调制引言现代雷达面临着复杂的环境，要求雷达信号具有宽频带、高稳定、快速跳变和输出任意波形等多种能力。故高性能的频率源是提高雷达性能的关键之一。线性调频信号是在宽脉冲内

2、附加线性调频以扩展信号的频带，从而提供一种大时宽一带宽信号，具有良好的距离分辨率和较大的发射能量。在高分辨率雷达，特别是合成孔径雷达及逆合成孔径雷达中得到了广泛的应用。新- S t 直接频率合成具有频率转换速度快、频率分辨率高、可编程产生任意波形、体积小等众多优点，受到人们广泛蓐视，成为频率合成技术的发展方向。但受器件的限制，目前时钟频率f 。较低，D D S 直接输出频率上限较低，实际工作频带较窄，尚不能满足宽带微波雷达信号产生的需求。为此人们提出许多频带扩展的方法：D D S + 倍频、D D S + 上变频、D D S + 锁相环、双路D D S 正交相乘输出以及多路D D S 并行合成

3、输出等。所以利用D D S 产生线性调频信号也得到广泛应用。本文采用D D S + 上变频扩频原理，提出了线性调频信号的产牛方案。1 线性调频信号原理线性调频信号的表达式可写成：s ( f ) = c o s ( 棚。f + 椭2 2 ) ( 1 - 1 )K = 争为频率变化斜率，B 为频率变化范围( 简称频偏或带宽) ；T 为信号时宽( 或脉冲宽度) 。线性调频信号的波形图如图l 所示。信号的瞬时频率为：邝) = 磊1 磊d 2 厅( 兀f + K t 2 2 ) 1 = + K t ( 一7 1 2 f 丁2 ) 一( 1 2 )、f0。蚰删、 W 嘲狲7n 1 瞬时频率随州间变M 信号

4、波形圉幽1 线性调频信号的波形图8 9 32 0 0 5 。全国微波毫米波会议论文集2 线性调频信号的产牛方案以上分析 广线性调频信号的摹本表达方式，如伺产生具有这种变化规律的信号I 呢? 这是本文研究的主要内容。为此，可列( 1 1 ) 式做进一步变换。如下：c o sC O o t + z K t 2 2 ) = C O S ( r ) c o s 口2 2 ) 一s i n ( c o d ) s i n ( M ( t2 2 )- i ( O c o + , 。f ) 一q ( t ) s i n 。t )( 1 3 )i ( t 1 = c o s ( z K t 2 2 ) ( -

5、 r 2 ，T 2 )9 0 ) = s i n ( x K t 2 2 ) ( - T 2 t T 2 )( 1 4 )( 1 5 )其中，f e ) 和碍分别为L F 艟信号的同相分量和正交分量。由以上变换可知，线性调频信号可以由两个信号进行混频产生，即相互正交的两路基带t - 鹊- c o s ( z K t 2 2 ) 和本振信号c o s 扫。) 混频叠加产生。基于以卜理论分析，设计了以下L F M 信号的产生方案，如图2 所示：降MCUD D S鞋驴博弓， 、 J l 晶振A D 9 8 5 4 叵 链51 1 0 0 M H z图2 基于D D S 的线性调频渊方案框图本线性调频

6、源的主要技术指标和工作方式如下输出频率范围：6 0 0 M H z 6 6 0 M H z ；相位噪声：一1 0 5 d B c H z 1 0 k H z ；杂散：优于一6 0 d B c ；输出频率步进：O 1 M H z ；频率切换时间：小于t u s ；这一组合方案其出发点是利用D D S 保证其频率分辨率：用P L L 保证其工作频率和带 宽；以两路锁相环路保证频率转换时间。即由P L L 提供以f ，为单位的较大频率步进，D D S2 0 0 5 全国微波毫米波会泌论文集提供精确的频率步进，以填补大步进之间的阳】隙。 基带信号由A D 公司生产的单片D D S 芯片A B 9 8

7、5 4 直接产生。它内部集成了4 8 一B j t频率累加器、4 8 一B it 相位累加器、正余弦波形表、1 2 位正交数模转换器以及调制和控制电路，该芯片能够在单片机上完成频率调制、相位调制、幅度凋制以及T Q 正交调制等多种功能。最主要的是A D9 8 5 4 具有正交两路信号输出功能，可同时产生I 、Q 两路正交信号，这也是选择它作为本电路设计芯片的主要原因。另外，A D 9 8 5 4 内部还含有1 2 位D A 正交双输出通道，省去了对D A 电路的选型与设计，降低了成本，缩小了电路体积。本振信号由A D 4 1 1 3 构成的锁相环( P h a s e l o c k e dL

8、 o o p ) 提供。锁相环具有良好的窄带跟踪能力，能很好地选择所需要频率的信号，抑制杂散分量，并避免了使用大量滤波器，十分有利于电路的集成化和小型化。但由于锁相环本身固有的捕获时间较长，故频率转换时间长。为克服这一缺点，本方案采用两路锁相环路交替工作，来提高频率转换时问，频率捷变时问可以达到纳秒级。如果对频率捷变时间要求更快，也可采用多路锁干H 环路交替工作。 将两路基带信号和本振信号加入正交调制器进行调制。这里选用的是A D 公司的正交调制器芯片A D 8 3 4 5 ，它可以提供很好的单边带调制功能；并乩具有一4 0 d B m 的边带抑制性能：仪有一4 0 d B m 的本振信号泄漏

9、、1 5 5 d B m H z 的背景噪声、低至0 5 度均值相位误差。高的幅相+ 致性保证了很好的镜频抑制性能。整个系统采用M i c r o c h i p 公司的P I C l 6 F 8 7 7 单片机来控制，。由于A D 9 8 5 2 正常工作电压为3 3 V ，最高不超过4 v ，这就要求控制其正常工作的单片机输出电平只能在3 3 V 左右，而P I C l 6 F 8 7 7 能满足本设计要求。并且此机型工作频率高，采用R I S C 指令集和H A R V A R D 总线结构，速度快，满足系统对时间的要求。3 电路设计指标分析1 ) 频率转换时间由于此电路是采用两路锁相环

10、在微波开关控制下交替工作，P L L 的输出信号总处于等待状态，输出信号的频率转换时间完全取决于微波开关切换时间。而微波开关的切换时间只有几十纳秒，再加上滤波器的影响，频率合成器频率转换时间可以做N d , 于l u s 。2 ) 相何噪声合成器输出信号的相位噪声性能主要由P L L 和D D S 输出信号相位噪声决定。由于本频率合成器采用高稳定低相噪的1 2 0 M H z 精密晶振，其偏离载频l k H z 处的相位噪声为一1 4 5 d B c H z 。D D S I 作于较低频率，对相位噪声的恶化不大。对于混频器来说，它的输出噪声主要取决于相位噪声输入较大的那个信号。故在此频率合成器

11、中，P I 1 对相位噪声恶化较大，所以输出信号的相位噪声主要决定于P L L 的相位噪声。此方案中，P I J I 锁相芯片采用A D 4 1 1 3 ，倍频电路的相位恶化2 0 1 0 9 M 来计算，晶振对鉴相频率f 。的分频比为M ，V C O 输出信号对f ，的分频比为N ，故P L L 输出相位噪声为：一1 4 5 2 0 l 0 9 1 2 + 2 0 1 0 9 1 2 0 1 2 5 d B c除去受锁相环的相位抖动、V C O 等因索引起的相位噪声恶化量，频率合成器的相位噪声完全可满足要求。2 0 0 5 全国微波毫米波会议论文集3 ) 杂散分析对于杂散性能分析，可以通过对

12、合成频率的交调分量的分析，确定输出信号中的杂散成分，相应地选择D D S 和P j L 的丁作频率，以减小杂散分量。此处采用D D SA D 9 8 5 4芯片，其输出频率在2 0 4 0 M H z 时杂散为- - 5 6 d B c ，窄带输出( I M H z ) 时杂散为一8 0 d B c 。可见，输出信号的杂散与输出频带有关。故5 M H z 带宽的杂散可以达到一6 0 d B e ，并且使用两个带通滤波器( B P F ) ，抑制D D S 输出带宽内较大的杂散。这里选用椭圆型滤波器结构，仿真结果如图3 所示。P L L 的杂散信号也可抑制在一6 0 d B c 以下。故可以达到

13、设计要求。 两睡赫难露嘲F t - 酣曲Vl i r a孵柚啊伯4图3 带通滤波器S 参数仿真结果4 结束语本文采用D D S 和正交调制器相结合的方法，是在不损失D D S 技术快速跳变的优越性的前提下将D D S 上变频为微波波段较有前途的种方法。带有不同正交相位输出的A D 9 8 5 4D D S 芯片和具有良好幅相一致性的正交调制器A D 8 3 4 5 的搭配，使此方法变得更加简单。再由P L L 提供稳定的本振，从而产生高质量的线性调频信号。参考文献【1 】张直中编著雷达信号的选择与处理国防工业出版社1 9 7 9 年【2 】( 美 M I 斯科尔尼克主编谢卓译张直中校雷达手册(

14、 合订本) 1 9 7 8 年【3 】M e r r i l lIS R a d a rH a n d b o o k N e wY o r k ：M c G r a w - Hi 1 1I n c ，1 9 7 0【4 】B y r o nE d d e ，“R a d a rP r i n c i p l e s ，T e c h n o l o g y ，A p p l i c a t i o n s ”，P T RP r e n t i c eH a l l ，I n c 1 9 9 3 6 1S ，M P a r k e r s “A d v a n c e dD i g i t a lT e c h n i q u e sf o rB a n d w i d t hC h i r pG e n e r a t i o n ”，I E E EI n t e r n a t i o n a lR a d a rC o n f e r e n c e ，1 9 8 7 ，p p 5 0 l 一5 0 4；。一；“一。