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雷达频综模块和中频接收模块的设计与实现.pdf

雷达频综模块和中频接收模块的设计与实现

xl46512 2012-05-08 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《雷达频综模块和中频接收模块的设计与实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含电子科技大学硕士学位论文雷达频综模块和中频接收模块的设计与实现姓名:王建辉申请学位级别:硕士专业:电磁场与微波技术指导教师:杨涛摘要摘要在现代战争中符等。

电子科技大学硕士学位论文雷达频综模块和中频接收模块的设计与实现姓名:王建辉申请学位级别:硕士专业:电磁场与微波技术指导教师:杨涛摘要摘要在现代战争中各种雷达系统大量使用。雷达的工作频率也从分米波、厘米波发展到毫米波波段。采用固态技术的毫米波雷达具有体积小、重量轻、距离和方位分辨率好、多普勒频移大等优点。本文根据某型毫米波雷达的技战术要求设计了频率综合模块和中频接收模块。频率综合模块是雷达重要部件之一为整部雷达提供相参频率源。该模块共有五组信号输出分别为MHz(系统时钟)、MHz/.GHz(AD时钟)、.GHz(DA时钟)、低本振(两路S波段)和高本振(X波段)。本项目经过分析分别采用了锁相环、锁相环加倍频链和双锁相环混频的方式实现各路信号输出。该模块的设计难点主要在于杂散抑制。经过两轮设计实现了该模块。中频接收模块采用超外差结构共有三条接收通道分别为和通道、方位差通道和俯仰差通道。该模块的任务是对第一次下变频后的信号进行放大、第二次下变频、滤波、放大等。根据整体方案的设计接收通道的AGC(自动增益控制)功能也在该模块中实现。该模块的设计难点在于保证三条接收通道的幅度、相位一致性以及杂散抑制。AGC(自动增益控制)是中频接收模块设计中的另一个难点要求在不同脉冲宽度和重复周期的条件下AGC电路能准确监测信号功率快速调整链路增益稳定输出。作者同样经过两轮设计实现了该模块。关键词:毫米波雷达频综中频接收机AGCABSTRACTABSTRACTManyRadarsystemshavebeenusedinthemodernwarfare.Radaroperatingfrequencyhasdevelopedfromdecimeterwavebandsandcentimeterwavebandstomillimeterwavebands.Thesolidstatemillimeterradarhasadvantagesofsmallsizelightweight,moreprecisiondistanceandazimuthresolutionandmoreDopplerfrequencyshift.Accordingtothetechnicalandtacticalrequirementsofacertaintypeofradar,afrequencysynthesizermoduleandallIFreceivermodulehavebeendesigned.Frequencysynthesizermoduleisaveryimportantpartintheradarsystemwhichprovidedcoherentfrequencysource.Inthispaper,thefrequencysynthesizermoduleprovidessystemclock(MHz)A/Dclock(MHz/.GHz)D/Aclock(.GHz)thefirstLO(SBand)andthesecondLO(XBand)fortheradar.PLLPLLandfrequencydoubter,doublePLLandmixeraleusedinthefrequencysynthesizermodule.Themostdifficultpartindesigningisspurioussuppression.Aftertworoundsofdesignthemodulehasbeencompleted.IFreceivermoduleisasuperheterodynereceiver.Therearethreechannelsinthemoduleeachchannelincludesamplifier,mixer,filterandIFamplifierandautomaticgaincontrolcircuits(AGC).Thedifficultiesindesigningareamplitude/phaseconsistencyandspurioussuppression.TheAGCcircuitfordifferentpulsewidthsandpulseperiodsisanotherdifficulty.Aftertworoundsofdesignthemodulehasbeencompleted.Keyword:MillimeterRadarFrequencysynthesizerIFreceiverAGCⅡ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名:兰|^丝挈日期:咖年形一月矽El论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名:丛经导师签名:三幽绉日期:咖年。瑚衫Et第一章引言第一章引言.雷达系统概述雷达的基本功能是利用目标对电磁波的散射发现目标并测定目标的空间位置、速度等信息。现代雷达的功能早已超过了“无线电检测和测距"的范围在目标成像、获取目标属性等方面有了长足的发展。雷达系统的主要战术性能有雷达作用距离、目标测量误差、目标分辨率、抗干扰能力、体积和重量等等【l】【。常见的雷达按其工作频段可分为分米波雷达、厘米波雷达和毫米波雷达。相比分米波雷达和厘米波雷达毫米波雷达具有很多优点:.在相同的相对带宽下毫米波雷达具有更大的绝对带宽利用脉冲压缩技术可提高距离分辨率.可以在相同的天线孔径下获得更高的增益更窄的波束宽度从而具有更好的方位分辨率。另一方面窄波束也增加敌方截获的难度.多普勒频移更大利于提高测速精度.地杂波和多径效应影响小低空跟踪性能好【】【】。由于毫米波雷达具有很多显著的优点近些年来得到很大的发展。国外已有大量的毫米波雷达装备如美国地狱火(Hellfire)空地导弹、AASM反舰导弹的末制导雷达和阿帕奇、卡曼奇武装直升机火控雷达英国硫磺石(Brimstone)空地导弹末制导雷达等【】。国内也有多家研究所、高等院校等开展相关课题的研究。.雷达频综源概述早期雷达一般采用单脉冲非相参体制这一类雷达一般只能通过回波的时延来获得目标的距离信息具有较大的局限性。现代雷达系统多采用脉冲多普勒体制和合成孔径技术(SAR)以抑制地(海)杂波和雷达成像这就要求雷达采用全相参技术。所谓全相参技术就是雷达发射脉冲的载波、接收机的本振信号以及相参基准信号全部来自主振源频率他们之间在相位上保持着严格稳定的同步关系【】。雷达接收到目标回波后利用相参检波器以相参基准信号为基准提取出目标运动信息。全相参技术的核心是全相参的频率综合源。全相参频率综合源已经成为现代雷达系统的核心部件之一。雷达系统对频率综合源的一般要求是:.高频谱纯度、宽带宽.快速和多点频率捷变.低功耗、小型化【。电子科技大学硕士学位论文目前常见的频率综合技术形式有:.直接频率综合技术(DSDirectfrequencySynthesis)该技术是由一个或多个参考频率源通过倍频、功分、混频、放大、滤波、调制等来合成所需频率。这种方式的优点是具有较快的频率转换速度频率分辨率和相位噪声等指标较好缺点是体积较大且杂散抑制指标较差。.锁相环频率综合技术(PLIPhaselockedLoop)该技术通过一个相位负反馈系统实现输出与输入信号的同步。其优点是具有较好的频率稳定度相位噪声和杂散抑制指标较好缺点是频率切换时间长。.直接数字式频率综合技术(DDSDirectDigitalfrequencySynthesis)该技术是一种数字式结构具有频率切换时间快频率分辨率高相对频率范围宽等优点缺点是杂散抑制指标较差输出频率较低。频综源的主要技术指标有【】:)频率范围:频综源输出的频率范围。常用相对带宽来衡量频率范围。)频率分辨率:频率源输出的两相邻频率点之间的间隔。不同用途的频率源对频率分辨率的要求相差很大。)频率切换时间:从发出频率切换的指令开始到频率切换完成并进入允许的相位误差范围所需要的时间。它与频率合成的方式紧密相关。)相位噪声:相位噪声在频谱上表现为连续的频谱。在频率合成器中可能产生噪声的原因很多例如所有器件的热噪声、有源器件的f闪烁噪声、非线性器件的寄生产物、谐波失真等。)谐波抑制和杂散抑制:谐波抑制是指载波整数倍频率处单根谱线的功率与载波功率之比而杂散抑制指与载波频率成非谐波关系的离散谱功率与载波功率之比它们表征了频率源输出谱的纯度。频率源中的谐波和杂散主要由频率源中的非线性组件产生也有频率源内外干扰的影响还与频率合成的方式有关。)长期频率稳定度:频率源在规定的外界条件下在一定的时间(年、月、日)内工作频率的相对变化它与所选用的参考源的长期频率稳定度相同。)短期频率稳定度:主要指各种随机噪声造成的瞬时频率或相位起伏即相位噪声它可以从频域(单边带相位噪声谱密度)和时域(阿仑方差)来表征。第一章引言近年来频率合成技术得到了快速的发展和进步。发展成果具体表现在如下几个方面【】【ll】:在锁相环频率合成方面。随着大规模集成电路技术及高速数字电路技术的迅速发展已经出现了大规模可编程锁相频率合成器集成芯片。现在锁相环的应用很多是使用集成芯片其中大部分是用单片机进行控制的。国内对这方面的研究也比较多。另一方面PLL芯片工作频率不断提高。如今大多数公司生产的PLL频综芯片的工作频率都已经可以轻松工作在GHz以上。目前工作频率最高的锁相频综采用O.lamSibipolar技术调谐范围GHz第一次把集成了VCO和分频器的频综做到GHz频段。在直接数字频率(DDS)合成方面。由于电子技术和器件水平的不断提高这种新的频率合成技术得到了快速发展。直接频率合成具有高精度的频率和相位分辨率的优点它的频率精度可达到微赫兹级相位精度可达纳赫兹级频率变化几乎没有时间限制切换速度仅受限于器件工作时钟可达纳秒级另外DDS还具有相对较宽的输出频率范围器件体积小功耗低等特点。DDS具有传统频率合成技术无法比拟的优点得到了广泛的使用。但它的输出杂散大严重限制了它的进一步广泛使用。如何抑制DDS输出频谱中的杂散就成为了研究热点。近年来相继提出了抖动注入、ROM存储压缩、平衡DAC结构等杂散抑制的方法。在其他方面微波频段的频率合成中有另外一种重要的技术一介质谐振器(DR)稳频的振荡器(DRO)。DR的高Q特性使其充当了“微波晶振"的角色故在微波频段的频率合成中通过使用DRO便能够极其容易地实现微波频率源的低相位噪声。尽管上述各种频率合成技术各有优点但是在频率合成的过程中只单独使用某一种技术往往会有某些无法克服的技术缺陷。现在的频综发展趋势是将DS、PLL、DDS、DRO、混频、倍频等技术合理组合使用整合各种频率合成技术的优势避免每种技术的固有缺陷使得频率合成器的相位噪声杂散指标、跳频时间和输出频率范围等技术指标大大提高。如锁相环介质压控振荡器(PLL.DRVCO)可使相位噪声在很宽的付氏频率范围内保持很低。此外采用多环以及混频PLL也是减小相位噪声与杂散信号的常用方法。.雷达接收机概述雷达接收机是雷达系统中重要的部件其主要作用是在传送来的源信号、干电子科技大学硕士学位论文扰和噪声的宽频谱中可靠地恢复需要的信号。现代雷达接收机的典型增益为.dB。增益应该分散到射频、中频和基带级以避免不稳定性【。早期的接收电路是可调谐射频接收机(TunedRadioFrequency,TRF)。这类接收机的核心器件是可调谐带通滤波器。历史上曾采用机械的可变电容和电感实现。这一类接收机结构复杂选择性也不好且在射频频率处实现接收机的全部增益在大增益时容易引起自激目前已很少采用。现代雷达中常用的接收机类型主要有超外差接收机和数字接收机两大类【。图.数字接收机结构数字接收机的结构如上图所示其原理是将天线接收的射频信号首先经过带通滤波器和放大后在射频频段上直接进行模数变换然后使用DSP在数字域中利用算法进行处理这种接收机的优点是信号失真极小而且各种主要功能由软件实现方便灵活具有极强的通用性。但受模数变换器速率的影响目前直接数字化接收机只能在较低的微波频段中使用在微波频段中高端和毫米波频段还无法使用。数字接收机在现代接收机设计中的发展越来越深入代表了现代高性能接收机的发展方向【。超外差是目前接收机的主流技术超外差原理最早是由E.H.阿姆斯特朗于年提出的。这种方法是为了适应远程通信对高频率、弱信号接收的需要在外差原理的基础上发展而来的。超外差的基本原理是:本地振荡器产生频率为.石的等幅正弦信号输入信号是一中心频率为Z的已调制频带有限信号。这两个信号在混频器中变频输出为差频分量称为中频信号Z=彳一Z为中频频率。输出的中频信号除中心频率由.疋变换.f到外其频谱结构与输入信号相同。因此中频信号保留了输入信号的全部有用信息【。超外差接收机按中频的频率可分为高中频、低中频和零中频三类】。一、高中频接收机:高中频接收机的中频频率较高由于信号频率与其镜频频率相差两倍中频频率所以信号频率与中频频率相差较远容易被选频滤波器滤除所以高中频接第一章引言收机利于镜频抑制。但是由于近载波干扰信号经过变频后与信号的相对频率差较小不容易被滤波器滤除所以高中频接收机不利于近载波抑制。而且由于高中频往往不能直接检波还需要二次变频增加了器件数量和成本。二、低中频接收机:低中频接收机的中频频率较低其信号频率与镜频频率很接近很难由选频滤波器滤除所以低中频接收机不利于镜频抑制。由于中频频率较低所以近载波干扰信号经变频后与信号相对频率差较大容易被滤波器滤除因此低中频接收机利于近载波抑制。三、零中频接收机:零中频接收机的中频频率为零所以不存在镜频和近载波干扰问题。但零中频接收机也有很多不利方面。由于本振频率与射频频率相同如果混频器的本振端口与射频端口隔离不好则会有本振信号泄露到射频端口经反射进入混频器射频端口后与本振信号产生自混频形成附加的直流信号。同理射频信号和干扰信号也会泄露到本振端口产生直流。由于本振相对来说是大信号所以前一种干扰是主要的。这些直流信号将叠加在基带信号上并对基带信号构成干扰。直流偏差往往比射频前端的噪声还大使信噪比变差同时大的直流偏差可能使混频器后的各级放大器饱和无法放大有用的信号。更复杂的是这种由自混频产生的直流偏差是时变的也就是说其强度会随接收机周围环境的变化而变化。此外零中频接收机还存在偶次谐波干扰I/Q失配闪烁噪声等问题。六端口接收机是零中频接收机中重要的电路实现方式。六端口电路的概念及其用于微波网络分析的思想最先是在年由美国国家标准局的Hoer等人提出他们利用dB定向耦合器(正交混合接头)、同相功分器或同相/反相混合接头等具有特殊性能的微波分支元件组成六端口结电路。若将六端口结电路中的两个端口分别接信号源和负载则其余四个端口的输出分别正比于传输线的某一参考面上的电压、电流、入射电压波和反射电压波的大小。因此通过测量四个端口上的电压幅度或功率便可同时给出参考面上诸量间的幅度和相位数据而且通过合适的校准程序六端口电路还能减小非理想硬件引入的测量误差。在过去的多年中六端技术在微波毫米波频段作为一种有效的信号幅度和相位测量手段得到了长足的发展被广泛应用在精确的自动微波网络分析仪中。现在六端技术在直接变频接收机、防撞雷达、高精度短距离测量等方面得到了广泛的电子科技大学硕士学位论文重视。采用六端口技术的零中频接收机与精确度高、噪声系数低、所需本振功率低优点IⅧ”】。般的零中频接收机相比具有相位幅度动态范围大、能有效抑制直流偏差等目前接收机的发展趋势是数字化和单片化。国外已有一些单片集成接收机报导。年sEGurmarsson等人报道了个基于mGaAspHEMT工艺制作的GHz接收芯片』。该芯片如图所示其包括一个级LNA单元一个集成了IF度电桥的镜频抑制混频器(IPuvl)单元以及本振倍频链路单元。其接收和发射带宽都超过了GHz可用于传输数据率高达Gb/s的GHz无线通信系统。年S.J.Mahon等人研究开发了GHz频段的多功能集成收发芯片组删包括.GHz上变频芯片GHz上变频芯片GHz下变频芯片(图.)GHz下变频芯片(图.)。群GHz接收芯片照片两..::..........:.......::j:.............一....::i.......................‘.........................二:.......一图】GHz下变频MMIC图.GHz下变频MMIC.自动增益控制技术概述““坷自动增益控制电路(AGC)是雷达中的重要控制电路其主要任务是使接收链路能够跟踪信号幅度而自动调整链路增益。现代雷达系统往往要求具有较大的动态范围而数字信号处理机中的AD变换器的动态范围远远不能满足现代雷达第一章引言系统的要求。因此雷达的动态范围要通过AGC电路实现。当目标距离较远时链路应具有足够高的增益以保证微弱信号能被检测当目标距离较近或有较强干扰信号时链路增益应随之减低以保证接收机及信号处理机等设备正常工作。接收链路的AGC电路实际上是一个动态范围压缩装置也就是说当AGC电路可以使接收链路输入的动态范围很大而输出的动态范围很小。AGC有多种的电路类型按照是否存在反馈可分为开环(无反馈)和闭环(有反馈)两大类。开环AGC电路通过门限比较来确定链路增益其优点是输出幅度控制精确主要缺点是其响应时间较长且对系统参数变化敏感。一个典型的开环AGC电路如图.所示。闭环AGC电路通过反馈来确定链路增益本质上是一个负反馈系统具有反应迅速对系统参数变化不敏感等优点主要的缺点是抗干扰能力较差。一个典型的闭环AGC电路如图所示。图.典型的开环AGC系统原理框图图典型的闭环AGC系统原理框图对AGC电路的基本要求有:.在接收机正常动态范围内保护接收机工作在不饱和状态。.在接收机正常动态范围内保持接收机的输出信号功率在要求的范围内。.具有较高的增益调节范围。电子科技大学硕士学位论文.在各种自然环境和电磁环境下能正常稳定的工作。.在控制过程中不改变信号的频谱结构不显著恶化信噪比。.具有适当的反应速度。.课题简介和本文主要内容本课题来源于某横向合作项目主要任务是完成某型毫米波雷达射频前端的整体设计并在此基础上完成频率综合模块和中频接收模块的详细设计并完成样机。本文主第一章为引言对雷达系统、频率综合、接收技术和AGC技术做了一个概述。第二章介绍了雷达射频前端整体方案及功能模块划分并确定了频综模块和中频接收模块的主要技术指标。第三章为频综模块的设计与实现详细介绍了频综模块的方案、电路设计、版图设计和结构设计最后给出了频综模块的测试结果。第四章为中频接收模块的设计与实现详细介绍了中频接收模块的设计重点介绍了AGC策略最后给出了中频接收模块的测试结果。第五章为改进建议及结论。第二章雷达整体方案及功能模块划分第二章雷达整体方案及功能模块划分.毫米波雷达射频前端整体方案根据雷达的整体技战术指标结合现有技术条件决定发射和接收均采用两次变频结构。基带信号为线性调频信号由数字波形产生单元产生经两次混频上变频到Ka波段发射。接收链路采用同样的两次混频将回波信号下变频到中频调整幅度后输出到信号处理机中。接收链路中采用自动增益控制保证在整个动态范围内(dBmdBm)内输出信号幅度恒定。发射链路和接收链路共用天线用一单刀双掷开关作为收发开关。频率综合源为发射、接收链路提供本振信号并为数字波形产生单元、信号处理单元及天线提供DA时钟、AD时钟和系统时钟信号。射频前端整体方案如下图所示:图雷达射频前端整体方案.雷达射频前端功能模块划分该雷达射频前端划分为四个功能模块:.数字波形产生模块:该模块产生.MHz线性调频信号可输出多种脉冲宽度和脉冲周期的信号并产生系统工作时序。.毫米波TR模块:该模块包括发射通道和毫米波接收通道。发射通道将从数字波形产生模块输入的线性调频信号经两次上变频、滤波、驱动放大及功率放大并通过收发开关电子科技大学硕士学位论文输出到天线。接收通道由和通道、方位差通道和俯仰差通道组成将天线输入的毫米波信号经一次下变频至S波段输出给中频接收模块。.中频接收模块:该模块由和通道、方位差通道和俯仰差通道组成的主要任务是将毫米波模块输出的S波段信号下变频到中频频率输出到信号处理机。中频接收模块的另一个任务是实现整个接收机的自动增益控制(AGC)并在回波信号增强到一定强度时关闭毫米波TR模块中低噪声放大器前的单刀单掷开关以避免低噪声放大器饱和。.频率综合模块:该模块为信号处理机提供AD时钟信号为数字波形产生模块提供DA时钟信号和系统时钟并为毫米波TR模块和中频接收模块提供相参的本振信号。各模块之间的射频接口均采用SMA接头电源及控制信号分别采用JJ.ZKP和JJ一ZKP矩形接头。.频综模块的指标.系统时钟信号输出:信号频率:MHz信号功率:dBm.AD时钟信号输出:信号频率:MHz/.GHz(可切换)信号功率:dBm相位噪声:.dBc/HzlkHz一dBc/HzKHz.DA时钟信号输出:信号频率:.GHz信号功率:dBm相位噪声:一dBc/tIzKIIz一dBc/Hz.KtIz.低本振信号输出:第二章雷达整体方案及功能模块划分信号频率:fLOL(S波段)信号功率:dBm相位噪声:一dBe/HzKHzdBe/HzKHz.高本振信号输出:信号频率:fLOH(X波段)信号功率:dBm相位噪声:一dBe/HzKHz一dBc/HzKHz频综模块各路输出杂散抑制:>dBe.中频接收模块的主要技术指标接收链路噪声(含毫米波接收部分):<.dB(信号最弱时)在其他情况下输出信噪比不低于信号最弱时的信噪比输入射频频率:ZMHz输入射频功率:dBm.dBm输入本振功率:dBm输出中频频率:MHzMHz输出中频功率:.dBm输出功率带内平坦度:<ldB和差输出幅度一致性:<.dB和差输出相位一致性:<。输出杂散抑制:>dBc(带外)>dBc(带内)谐波抑制:>dBcAGC系统任务:AGC系统在雷达开始工作时将接收链路的增益调整到最高当回波信号逐渐增加时开始起控在整个动态范围(dB)内保证中频输出的功率恒定在电子科技大学硕士学位论文.dBm。当输入信号幅度发生变化时AGC系统应在个脉冲周期内完成控制。AGC系统的另一项任务是当回波信号增强到一定强度时为了防止毫米波模块中低噪声放大器波饱和AGC系统应将低噪放前的开关关断利用开关的隔离度衰减信号。为了适应雷达成像的需要AGC还应具有增益恒定功能由TTL电平控制控制信号由信号处理主机给出。第三章频综模块的设计与实现第三章频综模块的设计与实现.锁相环频率合成技术基本理论】锁相环路(PLL)是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统其作用是将电路输出的信号与其外部的参考时钟保持同步。当参考时钟的频率或相位发生改变时锁相环会检测到这种变化并且通过其内部的反馈系统来调节输出频率直到两者重新同步这一同步过程称为“锁相”(Phase.cked)。一个基本的锁相环路由鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)组成如图.所示:图.锁相环路原理框图鉴相器是一个相位比较装置用来检测输入信号相位与反馈信号相位之间的相位差并将该相位差转为电压信号输出。环路滤波器具有低通特性对环路参数调整起着决定性的作用。压控振荡器是一个电压一频率变换装置在锁相环路中作为被控振荡器其振荡频率应随输入控制电压线性变换。常见的压控振荡器有LC压控振荡器、晶体压控振荡器、负阻压控振荡器和RC压控振荡器等。在锁相环路中鉴相器和压控振荡器一般选用商用芯片。鉴相器和压控振荡器选定后环路设计的重点就是环路滤波器的设计。常用的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器如图.所示:(a)RC积分滤波器三工(b)无源比例积分滤波器(c)有源比例积分滤波器图.环路滤波器模型由于有源环路滤波器包含运算放大器等有源器件会引入额外的相位噪声电子科技大学硕士学位论文所以常用无源环路滤波器。无源环路滤波器元件参数计算方法可以参考有关资料【。实际应用中常用仿真软件来综合环路滤波器本项目中所有的环路滤波器均采用ADI公司的SimPLL软件仿真设计。.频综模块总体方案本项目的频综模块输出频率较多使用单一的频率综合方式会造成电路过于复杂所以该模块采用锁相环与倍频链路相结合的方式实现。系统时钟信号(MHz)由晶振直接产生经功分后放大输出。AD时钟信号(MHz)采用锁相环方式产生AD时钟信号(.GHz)由MHz信号三倍频产生DA时钟信号(.GHz)由.GHz信号二倍频后获得。低本振信号(S波段)由锁相环方式产生。高本振信号(x波段)采用两个锁相环混频锁相方式实现。该频综模块原理框图如.所示:图频综模块原理框图钟第三章频综模块的设计与实现.电路设计..系统时钟信号(IOOMHz)电路设计本项目选用MHz的晶体振荡器直接产生系统时钟信号经一分四功分器功分后其中一路经放大、滤波输出。晶振输出功率约dBm。一分四功分器选用Mini.circuits公司的ADPS.表贴功分器。该功分器工作频段为MHz在MHz处损耗约O.dB各端口间隔离优于dB驻波约.。放大器选用AD公司的ADL放大器该放大器工作频率为DC.MHz在MHz处增益为.dB输出ldB压缩点为.dBm。滤波器选用中国电子科技集团第十三研究所生产的四阶切比雪夫LC滤波器。..AD时钟(MHz/.GHz)、DA时钟信号(.GHz)电路设计系统要求频综模块输出的AD时钟信号频率为MHz/I.GHz可切换输出的DA时钟信号为.GHz。为了简化电路本项目通过锁相环方式产生MHz信号然后通过三倍频和二倍频产生.GHz和.GHz信号。MHz信号经过滤波、放大后进入一分二功分器一路进入单刀双掷开关的一个输入端另一路进入三倍频器产生.GHz信号。.GHz信号经滤波放大后通过一分二功分器分成两路一路进入单刀双掷开关的另一个输入端另一路经放大、二倍频后产生.GHz信号再经过滤波、放大后输出。这一部分电路如下图所示:图.AD/DA时钟电路原理图锁相环路中的VCO选用Z.Communications公司的VMC一LF该VCO输出频率范围为MHz调谐电压O..V调谐灵敏度MHz/V典型输出功率.dBm。锁相环选用AD公司的ADF芯片典型鉴相电流为mA。该芯片为整数分频锁相环内部集成了低噪声数字鉴相器、高精度电荷泵、可编程参考分频器、六位A预分频计数器和十三位B预分频计数器以及双模预分频器。锁相输入射频频率范围.MHz输入的参考信号频率范围.MHz供电电压为V时参考信号电平峰峰值为.VV鉴相器相位噪底为。dBc/Hz。电子科技大学硕士学位论文MHz放大器选用Mini.circuits公司的ERA一SM该放大器在MHz处增益约dB输出ldB压缩点dBm。MHz一分二功分器选用Mini.circuits公司的ADP一.W表贴功分器该功分器在MHz处损耗约O.dB端口隔离优于dB输入口驻波.输出口驻波优于.。三倍频器选用Minicircuits公司的RMK..三倍频器该器件要求输入功率在dBm倍频损耗为约dB。.GHz放大器选用Mimix公司的CMM放大器该器件在.GHz处增益约dB输出ldB压缩点约dBm。.GHz功分器选用Mini.circuits公司的ADP..功分器在.GHz处损耗O.dB端口间隔离度约dB输入端驻波约为输出端驻波约.。单刀双掷开关选用Hittite公司的HMCLPC开关该器件由TTL电平控制选择输出损耗约ldB端口间隔离优于dB开关速度ns。由于该器件内部集成了匹配负载其反射损耗优于一dB。AD时钟输出的功分器同样采用ADP..。二倍频器选用Minicircuits公司的KC.Z倍频器倍频损耗约lldB要求输入功率在dBm到dBm之间。倍频器前后的放大器均选用Mini.circuits公司ERA.SM在.GHz/.GHz处增益约dB输出ldB压缩点约dBm。MHz、.GHz和.GHz带通滤波器分别选用中国电子科技集团第十三研究所生产的LC滤波器。使用ADLsimPLL软件对MHz锁相环进行仿真鉴相频率选为MHz相位噪声仿真结果如下图所示:善盎詈‘暑’乏.呈.tMMMFf吗Ⅲn斜lHzl图.MHz锁相环相位噪声仿真结果由上图可见MHzAD时钟信号的相位噪声优于一dBc/HzIⅢzdBc/HzKHz。三倍频后相位噪声恶化约dB因此.GHz时钟信号的相位噪声优于一dBc/HzKHz一dBc/HzKHz。二倍频后相位噪声恶化约dB由此可知.GHzDA时钟信号的相位噪声优于.dBc/HzlKHz时F翟警啪一一一一第三章频综模块的设计与实现dBc/IIzKHz。..低本振信号(S波段)电路设计系统要求频综模块输出两路低本振信号分别提供给毫米波TR模块和中频接收模块。本项目中采用锁相环直接产生该信号再经滤波、功分、放大后输出。该部分电路如下图所示:图低本振电路原理图S波段VCO选用Z.Communications公司的VME.LF该VCO输出频率范围为.MHz调谐电压...V调谐灵敏度MHz/V典型输出功率dBm。锁相环选用AD公司的ADF该芯片输入射频频率范围为..GHz品质因数为.dBc/Hz其他指标与ADF相当。一分二功分器选用Mini.circuits公司的GPY功分器该功分器在所需频率上损耗小于.dB隔离优于dB输入端口驻波小于.输出口驻波.。放大器选用Minicircuits公司的ERA一SM。ERA.SM在所需频率增益约为dB输出ldB压缩点大于dBm。带通滤波器选用中国电子科技集团第十三研究所生产的三阶切比雪夫LC滤波器。使用ADIsimPLL软件对S波段锁相环进行仿真鉴相频率选为MHz相位噪声仿真结果如下图所示:MMMGFr,qmnoj(Hz)图.S波段锁相环相位噪声仿真结果...舟rH『出p)。卫oz卫t电子科技大学硕士学位论文由上图可见低本振信号的相位噪声优于.dBe/HzIOKHz。..高本振信号(X波段)电路设计高本振信号频率与参考信号相差较大如果选用直接锁相方式来产生则分频比Ⅳ值很大造成相位噪声指标恶化严重无法达到技术指标要求。因此该信号信号采用双锁相环混频方式产生。由于混频后送入鉴相器的频率大大降低极大改善了该信号的相位噪声。由X波段VCO产生高本振信号并作为混频器的射频信号。第一个锁相环产生混频器的本振信号混频器输出的中频信号进入第二个锁相环锁相该部分电路如下图所示:振图.高本振电路原理图X波段VCO选用Hittite公司的HMCLP该VCO输出频率范围为...GHz调谐电压.V输出功率dBm。C波段VCO选用Hittite公司的HMCMSG该VCO输出频率范围为..GHz调谐电压.V输出功率约ldBm。C波段锁相环选用AD公司的ADF该器件输入射频频率范围为.O一.GHz其他指标与ADF相同。L波段锁相环选用AD公司的ADF。C波段放大器选用Hittite公司的HMCMSG该器件在所需频段典型增益为dBdB压缩点为dBm。混频器选用Hittite公司的HMClC该器件典型变频损耗为.dB本振.射频/中频间隔离优于dB。使用ADIsimPLL软件对C波段和L波段锁相环进行仿真C波段锁相环鉴相频率选为MHzL波段锁相环鉴相频率选为MHz相位噪声仿真结果分别如下图所示:第三章频综模块的设计与实现。霄王蛊已’重oZ嚣‘至.t一TdL|为DFilta'ClipRiVcoMMGFrmum斜(IIz)图C波段锁相环相位噪声仿真结果一TotalLoopFilte"一ClipR茸一Vco<MF嘲嘲cy《H对图L波段锁相环相位噪声仿真结果双锁相环混频方式产生信号的相位噪声主要用其中相噪较差的锁相环决定由上图可以看出高本振信号的相位噪声优于dBc/HzKHzdBc/Hz.K.Hz。高本振信号链路中的带通滤波器设计是本部分电路的一个重点受体积限制该滤波器不能使用腔体或同轴结构滤波器。考虑到性能、周期及成本因素LTCC滤波器也被排除因此本项目仿真设计了一种微带滤波器。本项目所需的滤波器中心频率为以鲫考虑到以后要实现跳频功能要求通带带宽为厂带内波动小于ldB。带外抑制在偏离中心频率%处应大于dBc。根据布板结果该滤波器面积应不大于rammm。常见的微带带通滤波器结构有平行耦合滤波器、发卡型滤波器、阶跃阻抗滤波器等等。其中阶跃阻抗滤波器具有面积小、寄生通带可调等优点今年来被广泛关注。SIR结构是指有两个以上具有不同特征阻抗的传输线组合而成的横向电磁场.....霄王若pl。重。主一至厶电子科技大学硕士学忙论文或准横向电磁场模式的谐振器。常见的SIR谐振器由两段传输线组成。表征SIR特征的最重要的参数是两端传输线的阻抗比R:=z:/Z一个典型的SIR谐振单元如下图所示:ZZY=/图典型SIR谐振单元如果忽略阶跃非连续性和开路端的边缘电容z.的表达式为:z。记.圣塑自!刍I竺竺()’。。Z一Ztan醴tall只当r=时有:z一ztan。tan=t由此可得谐振条件为:taIlBm睦=z/Z=R:()SIR谐振器的谐振条件取决于阻抗比R.和两端传输线的电长度。均匀阻抗喈振器的谐振条件唯一取决于传输线长度因此SIR谐振器比均匀阻抗的谐振器多一个设计的自由度。通过适当选择阻抗比可匕I大大减小谐振器面积。而采用内耦台的SIR谐振器可进步减小谐振器的而积。两种常见的内耦台SIR谐振器如图所示。r誓L一L一图.两种常见的内耦台SIR谐振器内耦台SIR谐振单元的谐振条件为:}第三章额综模块的设计与实现正可kcos巳一tanSp/RJsn以cos以一C=式中C为耦台系数:C=记。一z。幢。z。Rz。为耦台段与非耦台段的阻抗比:月z.=Zp/z砟和吼分别为耦合段与非耦合段的电长度。(.)()()为了减小面积车项目选用厚度为.mm的Dufiod基扳。首先根据理论公式计算单个谐振器井在HFSS中使用本振模式建模仿真仿真模型如下图所示:图.SIR滤波器在HFSS中的仿真模型电子科技大学颂士学位论文写!二=专警二二彳一I/、。\忑:j/\掣=一q/\::k/、i一、/:I:Lrf...P..一图一SIR滤波器仿真结果虫测结果与仿真结果比较发现实测的中一fl,频率比仿真结果偏高约%带宽也比仿真结果略窄.经修正过的滤波器实物照片和测试曲线如下图所示。藩器圈SIR滤波器照』La)SIR滤波器宽带响应曲线第三章频练模块的设计与实现(b)SIR滤波器带内响应曲线图SIR滤波器测试结果.版图设计额综模块电路采用RogersRT基板厚度为.mm。为了节约面积晶振、Lc滤波器均采用倒装方式。在布板时所有射频信号线均采用欧姆微带传输线并安排了大量的接地jL保证了接地良好。频综模块版图如下图所示:图频综模块PCB版图屯于科丰主大学硕士学位论文结构设计频综模块的外形K寸由用户指定。为了避免各路信号之阳J的相互干扰刷隔板将整个频综模块分割成几个相对独立的腔体。如图所示。倒装的滤波器和晶振从正面开槽安娑并用压板固定。晶振采用橡胶减震。由于要求大部分输出端口从模块左侧输出部分信号采用从背腔用同轴屯缆引出的方式输出。高本振的微带滤被器用导电歧粘接在一个相对独立的脏体内.保证了性能。颧综模块的所有射频输口均采用SMA接头.电源和控制信号通过JJ、ZKP矩形接头输入频综模块的结构如下图所示:a)正而(加晶振、滤波器压块)【c】背面目频综模块脏体结构模型第一版频综模块存在的问题及改进在第版频综模块的调试过程中存在的}要fol题是在各个输出端口C波段的杂散均较高。经过分析认为在高奉振信号的双环r乜路中.由于混频器需要较高的率振功率C波段锁相环路输出后经过放大器放大功率较高。虽然采用一系列抑制措施.但这~杂散依然较高。为了解决这一问题在第二版频综模块设计第三章频综模块的设计与实现中改由x波段锁相环路提供混频器本振信号c波段锁相环路作为混频器的射频输入因此不需要大功率也就不需要放大器。改进后的高本振部分电路如下图所示:攀黛簟繁鎏鬟。!。》毒浮’。j穆爹电子科技大学硕士学何论文fc)皙Ⅲ|图.第二版频综腔体结构模型最终的频练模块实物如F图:a)正面第三章频综模块的设计与实现(b)背面图频综模块实物照片测试及结果使用AgilentEA频谱分析仪钡I量各路信号的输出功率、杂散抑制和相位噪声指标.使用配套的电源模块为频练模块供电使用直流稳压电源为电源模块提供V直流电压如下图所示:测试结果如下图.频综模块测试现场照片电子科技大学硕士学位论文一:IⅢ一『口m日黔:mPOmNBr。“”““。泼翟。赡攀r坼翻:纛。。。。*arkerTraceTypeXRxisValuej:嚣::::.谍‘善::}瑞图高本振信号(x波段)相位噪声R“eae&{dBHOr~oL"z~L一。Ha^.一,叻日HH一柏瑚dBl一..~一.。m..。Cfn:nw:kH.uhH:heecirma)近端杂散b)远端杂散图高本振信号(x波段)杂散抑制!j”翟易。“”””“”!“。嚣絮。MiiⅥ日翟吁学‰睁峨揪盯~Freq=encyOffseElHk罔低本振信号(S波段)相位噪声第三章频综模块的蹬计与实现。i二:止。。lJ:艚凹山%=矧iT{)F}eH^“da*r|’”^Jth}tu{j:忠”嚣嚣翟:a)近端杂散(b)远端杂散图.低本振信号(S波段)杂散抑制一一%一一.=l一一n日一lI叩畔掣簿掣冬乏【刳MHzAD时钟信引召位噪声MkrlHRf^dBmprⅢMdBae"。BH口rm一一一.口。l^”J一“Ha^日J一匿kraJ近j杂散(b)远端杂散陶MHzAD时钟信号杂敲a)近端杂散(b)远端杂散国GHzAD时钟信号杂散图GHzDA时钟信号拥位噪声斓Jj叫d一一~L“=|J豁带岍豁黜墨函叫刊jl引霉意燃』J.止巍L!j.Ⅲ照』赫m=瓣l毫。黜口wm舞鼍第三章频综模块的醴计与实现(a)近端杂散(b)远端杂散圈GHzDA时钟信号杂散a)近端杂散(b)远端杂散圈.MHz系统时钟信号杂散习d舅“|一一Jm.【珊曲一一国叭黼m。拼岍"‰Ⅻ型超~瑟小一L慨一一一。mmMh"~电子科技大学硕士学位论文第四章中频接收模块的设计与实现中频接收模块采用典型的一次变频超外差体系和通道、方向差通道及俯仰差通道各使用一个接收通道。每条通道由可控衰减器放大器下变频混频器滤波器VGA(可变增益放大器)和中频放大、相位/幅度校准网络组成。另外在和通道中耦合部分能量进行检波AGC模块根据检波结果控制三个接收通道中的可控衰减器和VGA。整个中频模块框图如图.所示。AGC皂黠对数检波本振器l一分r一三功t!!r巨一{}网网l南Ii。风南.网一}}南一掣一和通道一{}时图中频接收模块组成框图.射频电路设计..接收链路设计三条接收链路基本相同由可控衰减器、放大器、下变频器、滤波器、VGA、中频放大器和相位/幅度校准网络组成。下变频器是接收链路的核心器件其作用是将射频频率搬移到中频频率上并保留其中所有的有用信息以便信号处理单元AD采样。其主要技术指标有:第四章中频接收模块的设计与实现变频损耗、端口之间的隔离度以及杂散抑制等。本项目选用Hittite公司的HMCSM集成混频器。该混频器为GaAsMMIC表面贴装的双平衡无源混频器本振功率为dBm时典型射频频率为...GHz中频频率DC..GHz。典型变频损耗为.dB本振。射频口隔离为dB本振一中频口隔离为dB。同时采用双平衡结构该器件具有较好的杂散抑制如表.所示。该混频器采用小型化的引脚MSOP封装使用简单不需要其他外围电路。表.:HMCSM混频器杂散抑制nLOmI珂O.........

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