毫米波步进调频全相参频率源技术研究

摘要

毫米波是当前电磁频谱开发的主要频段，尤其是军事电子技术，已广泛应用在雷达与制导、电子对抗、通信、遥感遥测等领域。毫米波系统中，毫米波频率源是关键核心部件，它的功能确定系统的工作体制，其性能的好坏直接影响着系统的整体性能。就毫米波步进调频雷达而言，为了抑制目标的背景杂波，提高低空探测能力和精度，一般要求其频率源具有全相参特性；为了便于提取目标的多普勒频移，还要求频率源具有极高的频率稳定度、频谱纯度和快速跳频能力。本论文即是为研制低相噪、低杂散、窄步进、快速步进调频的全相参毫米波频率源而开展的。 本文提出了一种新的全相参毫米波频率合成方法，利用混频及混频锁相环进行频率和相位的传递和锁定，采用连接在主混频器与功分器之间的主滤波器有效滤除和阻断主、副环之间的信号串扰，实现了输出两路频差小、频率步进中相位差恒定且两路隔离度大的毫米波异频全相参步进调频频率源；提出了直接数字频率合成器(DDS)频率、参考分频比R1和环路分频比N1的三重调节方法，回避了大杂散的DDS频点，且保证了400MHz带宽内全部频点杂散小的需求。 采用DDS+PLL X波段输出，然后再四倍频到Ka波段的毫米波频率合成器总体方案。引入DDS缓解了锁定时间和频率分辨率的矛盾，使得系统的频率分辨率达到10kHz。将其输出作为锁相环(PLL)的输入参考，采用二次混频电路锁定发射信号，降低了系统复杂性。设计出一种窄步进、快速步进调频的Ka波段全相参毫米波频率源，输出Ka波段本振和发射两路信号，频差60MHz，步进频率2MHz，相位差始终恒定。系统分为微波与毫米波两大部分，微波部分综合利用了 DDS、本振混频锁相环和发射混频锁相环实现两路频差15MHz的X波段全相参信号；毫米波部分，将X波段本振信号四倍频得到Ka波段做本振信号；X波段输出的发射信号经开关调制后形成脉冲信号，再倍频、I/Q调制后得到Ka发射信号。 所研制的毫米波步进调频全相参频率源经实验表明，本文提出一种新的毫米波频率合成全相参方法是正确的，为改善输出杂散所提出的三重调节输出频率方案是可行的，并还有潜力可挖；DDS上变频后驱动微波锁相环路，大幅度改善了频综源的相位噪声指标，四倍频到Ka波段的相噪＜—87dBc/Hz@1kHz、—92dBc/Hz@10kHz、—93dBc/Hz@100kHz，跳频时间小于14us；采用微波自动测试方法，降低了繁重的测试强度并提高了测试精度，优化配置关系后的输出杂散＜—65dBc；其它测试指标为：两路输出功率均大于15dBm；发射信号到本振支路的隔离度为92dB；本振信号到发射支路的隔离度为75dB，发射信号脉冲通断比大于80dB；脉冲上升沿小于14璐；I/Q调制的载波抑制＞28dB。最后通过了高低温、温度冲击和随机振动试验。本项目研究成果已成功地应用于某单位国家重点型号工程XXX中，并获2007年度国防科技进步二等奖。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1毫米波的特点及其应用

1.1.1毫米波的特点

1.1.2毫米波的应用

1.2频率合成技术简介

1.3国内外研究情况与发展趋势

1.4论文主要研究内容

第二章频率合成器的基本工作原理

2.1直接频率合成(DS)的基本理论

2.2直接数字频率合成(DDS)技术的基本理论

2.2.1 DDS的主要特点和基本原理

2.2.2 DDS信号的频谱特性分析

2.2.3 DDS实际输出信号的频谱分析

2.3锁相原理及噪声分析

2.3.1环路组成

2.3.2锁相环路的性能分析

2.4混合式频率合成技术

2.4.1锁相+直接频率合成(DS)的方案

2.4.2 DDS+锁相+直接频率合成(DS)的混合方案

第三章全相参步进频率合成源方法

3.1步进调频雷达简介

3.2传统相参频率源

3.3新型全相参步进频率源

第四章毫米波步进频率全相参源设计

4.1系统结构

4.1.1方案选择

4.1.2发射信号与本振信号的频率和相位关系

4.1.3频率规划与相噪计算

4.2 DDS电路设计

4.2.1 DDS芯片介绍和方案确定

4.2.2 DDS电路的频率规划

4.2.3 DDS中的上变频电路及分频电路设计

4.3 X波段步进频率全相参源设计

4.3.1 X波段本振支路锁相环设计

4.3.2 X波段发射支路锁相环设计

4.4毫米波电路设计

4.4.1毫米波本振支路

4.4.2毫米波发射支路

4.4.3毫米波电路的电源设计

4.5输出频率的三重调节

4.6控制电路设计

第五章毫米波步进频率全相参源测试

5.1全相参测试

5.2相噪和杂散自动测试

5.3跳频时间及载波抑制测试

5.4其他相关测试

5.5小结

第六章结论

6.1论文主要工作和贡献

6.2下一步工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间的研究成果