李國清 柏光東

(華東電子工程研究所 合肥 230031)

1 引言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各類電子系統(tǒng)對頻率合成器的要求越來越高，尤其是對相位噪聲、跳頻時(shí)間、體積及功耗的要求越來越高。對于大型相控陣的雷達(dá)來說，頻率合成器的重要性不言而喻，頻率合成器的性能好壞決定了雷達(dá)接收機(jī)性能的好壞。而在雷達(dá)天線陣面上，電磁環(huán)境比較惡劣，頻率合成器的性能更可能變差，從而嚴(yán)重影響整個雷達(dá)的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。因此在雷達(dá)頻率合成器的電路設(shè)計(jì)中，一定要對強(qiáng)干擾信號加以控制或抑制，并在電磁兼容上綜合設(shè)計(jì)，從而改善雷達(dá)的整體性能。

頻率合成器是利用各種頻率合成技術(shù)來產(chǎn)生所需要頻率的一種器件，頻率合成形式一般分為以下形式:直接頻率合成(DS)、鎖相環(huán)頻率合成(PLL)、直接數(shù)字合成(DDS)。其中DS因?yàn)槌杀靖?、體積大現(xiàn)已較少使用;PLL因其較寬的輸出頻帶、優(yōu)良的頻譜純度等有廣泛應(yīng)用，但頻率捷變困難;DDS則有超快的捷變速度和極高的頻率分辨率，不足之處為輸出帶寬有限。本文通過對頻率合成器的設(shè)計(jì)指標(biāo)和雷達(dá)電磁環(huán)境分析，采用了全相參直接數(shù)字合成的設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)形式上采用雙層屏蔽，可抑制較強(qiáng)的電子干擾。

2 技術(shù)指標(biāo)要求及分析

頻率合成器的指標(biāo)要求如下:

本振和射頻信號全相參;跳頻時(shí)間小于2μs;頻率范圍為:帶寬300M;60個頻點(diǎn);

一本振輸出信號幅度23±2dBm;二本振輸出幅度信號20±2dBm;

一本振雜波抑制≥60dB;二本振雜波抑制≥60dB;

單邊帶相位噪聲≤ －115dBc(偏載頻 kKHz處);

二本振電路體積小于200×100×50(mm)，其他電路體積小于300×300×100(mm)。

關(guān)鍵指標(biāo)分析:超低空雷達(dá)面臨很強(qiáng)的地雜波，因此想要從強(qiáng)的地雜波當(dāng)中分離出有用目標(biāo)，雷達(dá)必須要有很高的改善因子，而MTI兩次對消后的改善因子又由下式?jīng)Q定:式(1)中，B為接收機(jī)中頻帶寬(單位Hz);Sφ(f)為單邊帶相位噪聲(dBc/Hz);τ為發(fā)射脈沖到接收回波之間的時(shí)間(單位s);T為發(fā)射脈沖周期(單位s)。因此雷達(dá)改善因子和相位噪聲直接相關(guān)，在設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮振蕩器的相位噪聲外，還要盡量避免熱噪聲、量化噪聲等引起相位噪聲的惡化。在時(shí)域中，相位噪聲表現(xiàn)在正弦波零點(diǎn)交叉處的抖動，如圖1所示。

圖1 時(shí)域中的相位噪聲

當(dāng)頻率較高或者信號純度高時(shí)，在時(shí)域上就很難加以分辨。在頻域中，相位噪聲則表現(xiàn)為載頻處的噪聲邊帶。如圖2所示。

圖2 頻域中的相位噪聲

在規(guī)定載頻處的單邊帶相位噪聲常常用對數(shù)曲線來表示。在頻率軸上采用對數(shù)刻度，可以很方便的顯示大范圍頻偏的相位噪聲。

電磁環(huán)境分析:當(dāng)雷達(dá)陣面上所有的發(fā)射機(jī)同時(shí)工作時(shí)，峰值功率能夠達(dá)到幾十甚至上百千瓦，空間耦合的信號非常強(qiáng);而S頻標(biāo)信號從電子方艙經(jīng)過連接射頻電纜送到陣面的低功率鉸鏈，然后再送到放大分配。這么長的傳輸線容易產(chǎn)生長線效應(yīng)，極易接收到發(fā)射機(jī)泄露的信號;且低功率鉸鏈的接地性能和電磁屏蔽性能有個體差異。干擾信號也很容易影響到電源，從而進(jìn)一步影響頻率綜合器信號的頻譜純度。為了獲得相對準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，使用頻譜儀通過一個測試天線測試干擾信號，測試結(jié)果證明，干擾信號最高能達(dá)到0dBm左右。

溫濕度環(huán)境分析:陣面上的設(shè)備基本上都是露天放置，溫濕度環(huán)境也很惡劣，尤其是夏天時(shí)組件表面的溫度能達(dá)到50℃以上。

3 設(shè)計(jì)方案及原理

本合成器采用全相參直接數(shù)字合成技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)整機(jī)本振和射頻信號的全相參，所有射頻信號選用同一個晶振源。其中本振電路主要由一本振電路和二本振電路組成，一本振電路直接對輸入信號放大后分兩路輸出;由于雷達(dá)體制的原因，二本振電路則先對輸入的頻標(biāo)信號進(jìn)行分頻，然后再放大和濾波后輸出。

3.1 一本振設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的接收機(jī)為超外差二次變頻接收機(jī)，一本振共計(jì)60個頻點(diǎn)。具體電路方案如下:80M信號經(jīng)過分頻、倍頻、濾波等一系列處理后形成兩個頻標(biāo)，p頻標(biāo)和s頻標(biāo)，然后再通過混頻器混頻形成需要的本振信號，如圖3所示?；祛l器是非線性器件，它的動態(tài)范圍、隔離度、變頻損耗等對系統(tǒng)的動態(tài)范圍、本振隔離、靈敏度等有著非常大的影響。因此選擇合適的混頻器是很重要的。本方案采用雙平衡混頻器，故非線性失真小，還可以降低后面的濾波器的選用要求，從而能把電路做的體積更小，集成度更高。

圖3 一本振組成框圖

頻率綜合器的跳頻時(shí)間主要由跳頻控制電路和高速模擬開關(guān)共同決定的。在開關(guān)后選擇窄帶濾波器(即聲表濾波器)也影響跳頻時(shí)間?？刂齐娐?EPLD)和高速模擬開關(guān)(GaAs)的開關(guān)時(shí)間一般都在ns量級。對濾波器要求是在滿足指標(biāo)的情況下盡量放大帶寬。

3.2 二本振的設(shè)計(jì)

二本振信號為單點(diǎn)頻信號，其具體方案為:來自電子方艙的3520MHz頻標(biāo)信號經(jīng)一段射頻電纜送入二本振電路，經(jīng)過放大、分頻、濾波后產(chǎn)生二本振信號。該信號經(jīng)一分三功分器功分后，其中兩路分別經(jīng)放大、電阻衰減網(wǎng)絡(luò)匹配、濾波等電路后送出功率不小于20dBm的二本振信號，另一路則送入故障檢測電路中，用于判斷二本振功率是否正常。雖然是單點(diǎn)頻信號，但二本振的工作在陣面上，干擾強(qiáng)度大，設(shè)計(jì)難度大。本方案分頻芯片選用HITTITE公司的HMC系列(最高工作頻率可達(dá)12G)，為保證分頻芯片能工作在最佳狀態(tài)，特選用砷化鎵集成放大器對輸入信號進(jìn)行放大，它的特點(diǎn)是增益大，雜波抑制指標(biāo)好，如圖4所示。

圖4 二本振組成框圖

為了盡量避免信號在電纜中傳輸?shù)母蓴_，在電路的輸入端先選用一個介質(zhì)濾波器(BW1dB:≥25MHz;插入損耗:≤7.5dB;帶外抑制:≥70dB@f0±80MHz)進(jìn)行濾波，濾波器選用與不選用的效果相差很大，我們做了一個試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證:用兩臺信號源，一臺模擬S頻標(biāo)信號，一臺模擬發(fā)射機(jī)泄露信號，幅度設(shè)置為－20dBm左右，然后通過一個二合一合成器合成后，送到放大分配的輸入端，如圖5所示。

選用濾波器前后的頻譜對比情況圖6所示，因此濾波器的選用非常必要。

為了提高增益，本振輸出支路采用兩級放大電路，為了保證輸入端的P－1指標(biāo)，還應(yīng)設(shè)計(jì)衰減網(wǎng)絡(luò)把多余的增益衰減掉。這種設(shè)計(jì)看似復(fù)雜，但是卻可以利用兩級放大器的反向隔離和衰減器的鏈路損耗，提高射頻電路的反向隔離度。當(dāng)然，使用隔離器也能實(shí)現(xiàn)一定程度的反向隔離。但相比較而言，本方案具有尺寸小、成本低、隔離度更高的優(yōu)點(diǎn)，而且便于系統(tǒng)一體化集成。最終二本振電路尺寸為150×100×30(mm)。

4 工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 電源電路設(shè)計(jì)

直接數(shù)字合成的本振電路中有模擬和數(shù)字分頻等電路，當(dāng)數(shù)字電路為高頻跳變的電流作用時(shí)，都會產(chǎn)生一些新增頻率成分即雜散，其頻譜相當(dāng)寬，在它們具有共同電源和地線或共用一塊印制板時(shí)，這些頻率成份會通過混頻器進(jìn)入模擬電路產(chǎn)生干擾，再加上射頻干擾通過饋電線、空間輻射、印制板耦合等，所以為了盡可能保持頻譜的純凈，采用鉭電容+電感組合去除高頻信號的濾波方式，在實(shí)際數(shù)字集成電路的每一級電源都應(yīng)有0.1μF或0.01μF的濾波電容跨接到地。為盡量減小干擾，電源上采用數(shù)模電路分開供電，振蕩電路一定要有很好的接地及屏蔽，必要時(shí)在信號輸出端加一個帶通濾波器。

實(shí)現(xiàn)理想的低功耗比較困難，需要從指標(biāo)要求、體積、成本等復(fù)雜的折衷權(quán)衡問題。綜合考慮，本次電路選用MC7806BT的高能低耗型穩(wěn)壓電路，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻分壓分流方式，既能保證指標(biāo)要求，又能最大限度的進(jìn)行降耗處理。

4.2 電磁兼容和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于陣面上的電磁環(huán)境比較惡劣，因此，電磁屏蔽技術(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。電磁屏蔽按屏蔽對象不同分為主動屏蔽和被動屏蔽，主動性屏蔽是屏蔽干擾源，以限制其有害的電磁能量向外發(fā)射;被動性屏蔽是屏蔽敏感設(shè)備，減少外部電磁干擾影響是屏蔽敏感設(shè)備，以減少外部電磁干擾影響其正常工作。

我們知道凡是場干擾都可以用屏蔽的方法來削弱其影響。影響屏蔽完整性的因素是屏蔽體的接縫泄漏，其強(qiáng)度表達(dá)式:

式(2)中H為從縫隙漏出的磁場強(qiáng)度(單位A/m);H0為縫隙屏蔽的磁場強(qiáng)度(單位A/m);t為縫隙深度(單位m);g為縫隙寬度(單位m)。

由此可見，對頻率合成器電路而言屏蔽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是保證殼體的密封性、導(dǎo)電性。據(jù)此，我們在電磁兼容和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取以下措施，以降低干擾源到具體電路的電磁輻射干擾。

圖7 電路結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

頻率合成器電路的殼體采用導(dǎo)電性能良好的一整塊鋁板扣出，避免了通孔和縫隙帶來的密封性問題。用導(dǎo)電性能良好的鋁殼體將一本振和二本振包圍起來，以隔離其與外界電的、磁的或電磁的相互干擾，尤其是外界對它的干擾;一本振電路和二本振電路分別放在不同的模塊中并用鋁板隔開，如圖7所示。

殼體的蓋板處采用扣槽填導(dǎo)電密封條的方法進(jìn)行密封，扣槽深度較深且窄，以減少接縫泄漏，必要時(shí)可在蓋板四周貼裝吸波材料;蓋板的螺釘間距小于發(fā)射頻率的二分之一波長，蓋板與殼體四周接觸處以及螺釘孔噴涂導(dǎo)電材料，以保證蓋板和殼體的可靠接觸。

殼體的對外接輸入輸出接口等射頻連接器均采用螺紋密封連接，避免采用快速的盲配等卡口連接方式而帶來的連接縫隙。接插件之間的連接縫隙會嚴(yán)重降低殼體的屏蔽特性。

頻率合成器信號的輸入輸出電纜均選用雙層屏蔽電纜，電源等控制信號電纜選用帶屏蔽層的雙絞線ASTVRP系列，多根雙絞線外層再加上一層屏蔽套管。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電路經(jīng)過調(diào)試后，指標(biāo)測試符合要求，部分指標(biāo)測試情況如表1所示。

表1 本振測試結(jié)果

跳頻時(shí)間測試結(jié)果:1.3μs，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖8所示。

從圖9中可以看出，一本振單邊帶相位噪聲:1kHz處 接 近 －120dBc/Hz，100kHz處 接 近－130dBc/Hz，雜波抑制都≥60dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文通過對某相控陣?yán)走_(dá)陣面的電磁環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)分析，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，對一本振和二本振電路進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)和分析，尤其是對本振電路的電源和電磁兼容等關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述，有針對性的采取了解決措施。頻率綜合器的設(shè)計(jì)，總體上滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，具有高頻率穩(wěn)定度、低相位噪聲、快頻率捷變時(shí)間、體積小、集成度高、抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)，對同類型的設(shè)計(jì)有借鑒意義，有一定的推廣價(jià)值。

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