探究雷达频综模块和中频接收模块的设计与实现

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[摘 要]在世界各国间利益冲突与矛盾日渐频繁下，各国均在加紧军事战斗武器的研发与设计，雷达系统是不可缺少的探测装备，应用日渐普遍，应用到固态技术的毫米波雷达有着更高的分辨率，且更加轻便，雷达重要部件之一为频率综合模块，作用是为雷达提供参频率源，中频接收模块也是重要组成，分为三个接收通道，对频率综合模块与中频接收模块进行优化设计可以使信号接收更加准确、及时。

[关键词]雷达；频率综合模块；中频接受模块；信号接收

中图分类号：TN958 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0333-02

可以按照不同的工作频段对雷达进行划分，常见厘米波雷达、毫米波雷达、分米波雷达，毫米波雷达与其他雷达比较有着更多优势，通过脉冲压缩可以将分辨率大大提高，还具备更大的绝对带宽，基于这几点可以获得更高的增益，即使是在相同的天线孔径下也能够做到，分辨率也大大提高。全相参技术中频率综合源是核心技术，也是雷达系统关键组成，保证频率综合源的宽带宽与快速多点频率捷变、降低功耗是设计关键。

1 频综模块设计与实现

1.1 锁相环频率合成技术理论

作为一种具备跟踪与闭环自动化控制功能的系统，锁相环路（PLL）的主要作用是保持与外界参考时钟的同步，同时也与电路输出的信号保持一致性。如果参考时钟频率发生改变，应用锁相可以对这种变化进行检测，可以及时发现频率异常，且内部发出的反馈也能够为输出频率的调节提供依据，以上过程的同步进行就是“锁相”。鉴相器与环路滤波器、压控振荡器是环相的几个重要组成。

鉴相器是一种相位比较装置，主要功能是比较反馈相位与输入信号相位差，还能够对相位差转换，最终以电压形式输出。低通特性是h路滤波器的主要特征，主要功能是调整环路参数。一电压一频率变换的装置就是压孔振荡器，分为负阻压控振荡器与晶体压控振荡器、LC压控振动器几种。

1.2 频综模块设计方案

鉴于频综模块有着大量频率需要输出，也使得单一频率综合的过程变得较为繁琐，可以让锁相环与倍频链路结合，通过两者的结合可以实现频率综合，确保这种综合方式不那么复杂。系统中晶振直接产生系统时钟信号，输出以放大形式完成。AD时钟信号1的产生需要使用到锁相环原理，而AD时钟信号2则从三倍频中产生，即400MHz信号，1.2GHz信号二倍频率后获得DA时钟信号。

1.3 电路设计

以上介绍了AD时钟信号与DA时钟信号的产生，AD时钟信号频率可以切换，如果频率为400MHz/1.2GHz输出的时钟信号可以为2.5GHz。为了使电路设计不那么繁琐，400MHz信号产生应用锁相环方式，信号经过一系列的处理，包括滤波、放大与进入到一分二功分器等过程可以最终进入到三倍频率器，将1.2GHz信号生成。然后1.2GHz信号再次进行滤波、放大、分二功分器分为两路后最终进入到另一个输入端，经过二倍频最终将2.5GHz产生，这一过程均体现了滤波―放大―输出过程。

1.4 版图设计

频综模块的电路设应用到的基板为Rogers RT4003，基板的厚度为0.620mm。此次设计为了将设计面积减少，减少原材料，应用到了LC滤波器，采用倒装的方式，且射频信号线应用到的是40Ω的传输线，可以更安全的接地，同时设计应用到了非常多的接地孔。

1.5 结构设计

频综模块的结构设计也是重点，依据用户需求设计模块的外形，为了防止出现相互间的干扰使信号接收与发送出现误差，应用到了隔板，目的是对频综模块进行分割，形成若干个独立的腔体，这样就能够减少信号间的相互干扰。鉴于输出经过模块的左侧，且一部分信号输出经过背腔使用同轴的电缆引导输出，将微带滤波器固定到独立腔体中，可以使性能更加稳固。射频输出口应用SMA接头的频综模块信号控制使用矩形接头输入。

1.6 设计存在的问题与修整

第一版频综模块设计依然存在一些不足之处，调试过程中出现了问题，发现C波段的杂散高，且在各个输出端口存在问题，因为在高本振信号双环电路中，有着非常高的本振动率，且输出了C波段锁相环路以后，使用放大器对其进行放大处理以后，功率也会随之升高，即使有措施可以将这一问题解决，但是依然有着较高的杂散。由此，在第二版频综模块设计中对X波段锁相环路进行优化调整，使其能够提供混频器本振信号，这样就可以使C波段的锁相环路成为混频器中的一个射频参数，输入更加稳定、误差减少，不需要受到大功率的影响，从而省略了放大器的应用。

还有一个问题是结构倒装器设计成正面开槽样式，这样进行加压板的安装时，鉴于平面由多个小的平面拼接而来，会出现一系列的装配问题，从而不能将电路板背面保持良好的接触。在第二版的设计中，还需要应用到减震垫，安装应用正面开槽的方式，而倒装的LC滤波器背面安装的方法可以使正腔底部有一个非常稳固的平面，从而将电路接地问题减少。

2 中频接收模块设计与实现

2.1 射频电路设计

2.1.1 接受链路的设计

放大器与下变频器、滤波器、VGA均是中频放大器的与相位的重要组成，且三条接收链路基本一致。其中，下变频器是非常重要的组成，将射频的频率移动至中频频率中是这一组成的主要功用，可以在移动过程中将需要应用到的信息保留，进而在对信号处理与采集时更加方便。接收链路的具置在混频器的前侧，作用是可以提供增益，但是有着较小的噪声系数与较大增益，往往没有较高的噪声系数要求。而中频放大器处于链路的最末端，也有着非常高的增益，且功率的输出能力较好，基于此需要应用到的工作带宽较宽。在混频器的后级有滤波器，设置滤波器的作用其实很显然，即，对杂散进行抑制，有着较好的矩形系数，此次设计应用到LC集总参数滤波器。

2.1.2 检波耦合电路设计

对检波耦合电路设计的目的是确保其能够接收到更多的耦合部分能量，从而将功率信息转换为电平信号，此次应用到的检波器为反斜率形式的，工作频率为1MHz-7GHz，最大的输出功率为-80dBm。其中，按照差分输入的方式使用AD8318，可以将高阻抗输入，这是在低频下，同时还能够与一个50Ω的电阻匹配，其工作模式分为测量模式与控制模式两种，可以在工作控制模式下；连接VGA与AD8318，然后再通过Vset实现AGC。AD8318检波器具有一定优势，体现在：有着较快的响应速度，通常为10ns/12ns，能够对窄的脉冲信号快速反应，如果信号波出现时，如果依然较快响应，将容易造成检波波形出现较大的起伏落差，从而使AGC的控制减弱。AD8318还可以借助CLPF管_与电容的方式连接，通过这种方式对响应时间进行调整，为此，增加平滑检波波形在该电容值中。

2.1.3 本振电路设计

本振电路设计的目的实际上是对输入的本振信号放大处理，此电路的组成有放大器、滤波与功分等。为了防止放大器中产生过多的谐波，使信号出现干扰，就需要应用到低通滤波器，这种滤波器的损耗同时也较小，二次与三次谐波得抑制大小分别为32dBc与20dBc。

2.2 AGC电路设计

可以按照不同的信号将AGC分为数字控制与模拟控制两种形式，前者的优势是直接控制，有着较快的响应，不需要再对D/A进行转换，但是不足是应用到了数控衰减器会与VGA的连接过程中出现一些误差，且两者的连接有一定复杂性，不便于操作，容易对射频电路产生过多的干扰。AGC的一个关键作用是对信号大小进行判断，但是雷达为脉冲体制，想要明确脉冲周期变化存在一定难度。为此，AGC的策略为：采用AD8318反斜率检波器，低电平与脉冲信号的高功率状态对应，如果FPGA可以持续对电平变化进行监测，如果功率电平下降，可以对门限值进行设定，如果认为有脉冲信号输入，可将开始采集到的数据当成判断的指标。此外，为了更好的对连续波信号调试与测试，设置了延时触发在AGC电路中，可以使电路触发时间变得可控。

结束语

本文主要对雷达频综模块设计与实现与中频接收模块设计与实现进行了分析，表现了经过两次的设计调试以后各项技术指标均能够满足用户需求。当前的频综模块与中频接收模块可以将数字波形产生与毫米波TR模块、天线等结合起来进行综合调试，且应用效果较好。频综模块与中频接收模块设计中依然有很多问题值得改进，包括电路设计与结构设计等，仍需要进一步研究与优化。

参考文献

[1] 张志刚.90dB大动态范围可控AGC系统及其在雷达远程测量平台中的使用[D].上海交通大学[硕士论文]，2011.

[2] 李良.微波宽带自动增益控制技术研究[D].电子科技大学[硕士论文]，2013.

作者简介

周吉康1982年04月，男，江苏宜兴，2005年毕业于电子科技大学通信工程专业，学士，现供职于中国电子科技集团公司第三十八研究所，工程师，研究方向：微波接收系统。