CN109873638A - 一种提高相位分辨率的参考移相器及移相方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高相位分辨率的参考移相器及移相方法，移相器包括参考频率信号发生器和与之相连的锁相环，所述参考频率信号发生器产生参考频率并输入所述锁相环，所述锁相环包括鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和N分频器，所述鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、N分频器环形连接，所述压控振荡器的输出为所需输出频率，所述N分频器的分频比N的值满足以下条件：使得N与参考频率信号发生器相位分辨率的乘积不被360°整除，且N和参考频率信号发生器相位分辨率的乘积与360°的最小公倍数最大。本发明可以提高相位分辨率，实现在高频信号上的高分辨率移相操作。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种提高相位分辨率的参考移相器及移相方法。
背景技术
相控阵天线通过移相器对平面阵列的一系列辐射单元进行有规律地馈电，从而控制形成的波束，这种阵列产生的平面波的方向取决于不同阵列单元之间的相位差。相控阵具有波束灵活性、自适应模式的优点，并能同时监视跟踪目标，以上特性使其在雷达方面得到了广泛应用。
相控阵雷达可以分为两类：无源相控阵和有源相控阵。其中有源相控阵没有采取无源相控阵的集中馈电方式，它对每个元素或者子阵都配有单独的有源组件，即T/R组件，它包括了信号功率放大器、移相器、低噪声放大器、混频器等。有源相控阵因为损耗小、稳定性高等特点使其相对于无源相控阵有着更大的优势与发展前景。
收发组件中移相电路的设计是整个有源相控阵设计的关键。现今雷达系统中常用的是铁氧体移相器和半导体移相器这类电子移相器。可以通过调谐装载在传输线上的变容二极管来控制相位,也可以通过改变负载的元件值来改变插入相位进行反射式移相，然而这些移相器均为传统的模拟移相器，它们不仅移相精度低，同时由于在不同相位下插入损耗的不同，这类移相器在校准时，通常需要在移相器后加入不同衰减量大小的衰减器，导致了在校准操作上的复杂与困难。为了解决模拟移相器所带来的问题，人们又提出基于数字移相的移相方式。但是，受限于奈奎斯特采样定理，数字移相输出频率不高，并且在高频上相位噪声恶化明显。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种提高相位分辨率的参考移相器及移相方法。
技术方案：本发明所述的提高相位分辨率的参考移相器包括参考频率信号发生器和与之相连的锁相环，所述参考频率信号发生器产生参考频率并输入所述锁相环，所述锁相环包括鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和N分频器，所述鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、N分频器环形连接，所述压控振荡器的输出为所需输出频率，所述N分频器的分频比N的值满足以下条件：使得N与参考频率信号发生器相位分辨率的乘积不被360°整除，且N和参考频率信号发生器相位分辨率的乘积与360°的最小公倍数最大。
进一步的，所述N分频器的分频比N的值的确定方法为：
a)采用参考频率信号发生器产生初始参考频率，所述初始参考频率在该频率点附近具有大于预设值的相位分辨率和小于预设值的杂散；
b)将所需输出频率除以所选初始参考频率，将所得结果的预设范围内分别依次递加1和递减1，选择能够使N与参考频率信号发生器相位分辨率的乘积不被360°整除，且使N和参考频率信号发生器相位分辨率的乘积与360°的最小公倍数最大的值作为分频比N的值；
c)调整参考频率信号发生器产生的参考频率，使得参考频率＝所需输出频率/N。
进一步的，所述参考频率信号发生器为数字频率合成器。
本发明所述的提高相位分辨率的参考移相方法包括以下步骤：
(1)选择锁相环，所述锁相环包括鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和N分频器，所述鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、N分频器环形连接；
(2)选择参考频率信号发生器，将所述参考频率信号发生器产生的参考频率输入所述锁相环；
(3)调整N分频器的分频比N的值，使其满足以下条件：使得N与参考频率信号发生器相位分辨率的乘积不被360°整除，且N和参考频率信号发生器相位分辨率的乘积与360°的最小公倍数最大；
(4)所述压控振荡器的输出即为所需输出频率。
进一步的，所述调整N分频器的分频比N的值，所采用的方法为：
a)采用参考频率信号发生器产生初始参考频率，所述初始参考频率在该频率点附近具有大于预设值的相位分辨率和小于预设值的杂散；
b)将所需输出频率除以所选初始参考频率，将所得结果的预设范围内分别依次递加1和递减1，选择能够使N与参考频率信号发生器相位分辨率的乘积不被360°整除，且使N和参考频率信号发生器相位分辨率的乘积与360°的最小公倍数最大的值作为分频比N的值；
c)调整参考频率信号发生器产生的参考频率，使得参考频率＝所需输出频率/N。
进一步的，所述参考频率信号发生器为数字频率合成器。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：弥补了对于高频信号无法达到高相位分辨率的不足。通过本发明中所提出的高精度调节参考频率相位方法，可以弥补由锁相环对系统相位噪声带来的20logN的恶化，提高相位分辨率，实现在高频信号上的高分辨率移相操作。
附图说明
图1是本发明提供的提高相位分辨率的参考移相器的一个实施例的电路图；
图2是调节相位时相位分辨率的第一次细化。
具体实施方式
本实施例提供了一种提高相位分辨率的参考移相器，以输出频率为10.6GHz的卫星本振频率为例，根据输出频率可选择利用数字频率合成器(DDS)产生参考频率信号，将其输入锁相环(PLL)进行参考移相，电路结构如图1所示，锁相环包括鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和N分频器，鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、N分频器环形连接，压控振荡器的输出为所需输出频率。将DDS和PLL相结合，在利用PLL进行高本振输出的同时也保留了DDS的高精度数字移相。本实施例中采用AD9959芯片作为示例，该芯片是相位分辨率位数M为14位、频率分辨率位数为32的DDS芯片，根据该DDS特性可选择50MHz作为PLL初始参考频率进行分析。
当利用所选50MHz作为锁相环参考频率时，相位分辨率的理论计算方法为
锁相环的引入对系统相位噪声带来的20logN的恶化，使得系统相位分辨率降低N倍，所以利用PLL的分频比与DDS的相位分辨率相乘，所得结果即为PLL与DDS相结合的相位分辨率。然而当选50MHz作为锁相环参考频率时，PLL分频比N为212，N与DDS相位分辨率相乘所得相位值并不能被360度整除，所以实际上的相位分辨率大于式(1)所得值。
式(1)计算结果表明DDS的相位控制字每增加1个数值，在锁相环输出端的相位便增加4.66°，设在相位调节前的初始相位为0°，相位控制字增量为m。
当m为77时，相位扫描点值应为：
当m为78时，相位扫描点值应为：
由式(2)和式(3)可得，理论计算所得的相位分辨率不能被360°整除，在相位控制字令相位增大的过程中，无法令增大的相位与初始相位重合。所以通过利用360°相位的周期性，能够使实际相位分辨率进一步的提高，式(2)和式(3)所反映的现象可以绘制成图2。如图2，实心点表示一个360°周期内的相位步径情况，第二个周期的相位扫描点则是利用短线标记。在第一个360°相位周期中，相位扫描点为4.66l,其中l为0到77的整数。当l为77时，扫描到一个周期内最后一个相位点：358.68°，当l为78时，在358.68°的基础上增加4.66°的相位，从而进入第二个扫描周期，此时的相位为363.34°，基于相位的360°周期性，第二个扫描周期的初始相位扫描点即为3.34°。由于始终满足有相位控制字加1，对应中频输出相位增大4.66°，所以在第二个周期范围内的相位扫描点为：3.34°、3.34°+4.66°、3.34°+2×4.66°、3.34°+3×4.66°……
当m为154时，相位扫描点值应为：
当m为155时，相位扫描点值应为：
由式(4)和式(5)可知，当m为154时，相位扫描点为第二个360°周期范围内最后一个相位点717.36°，即357.36°，而当m为155时，相位扫描进入第三个360°周期范围内的第一个相位点2.02°，此即第三个周期内的相位初始扫描点，所以在第三个周期范围内的相位扫描点为：2.02°、2.02°+4.66°、2.02°+2×4.66°、2.02°+3×4.66°……
随着m值持续增加，第三个扫描周期结束后进入第四个相位周期，并以一个新的相位初始值进行相位的扫描。如此不断增大m值，不断进入新的扫描周期，得到新的初始相位值开始扫描，使得相位分辨率得以不断细化。当进入某一初始相位值为0的相位扫描周期时，相位分辨率将不再细化，并重复上述细化过程。若初始相位为0°，则相位扫描点的值应为4.66°和360°的最小公倍数，即19080°，此时对应m值应为4096，此初始相位为第54周期扫描点值。
通过以上分析可以得出，DDS与PLL相结合时的相位分辨率并不是单纯的由PLL的分频比乘上DDS的相位分辨率。由于相乘得到的Δφ2并不能被360°整除，因此利用相位360°的周期，能够获得Δφ2相位间距内的相位值。若将进入一次Δφ2相位范围内看作一次相位细化，则经过计算分析可得共进行52次相位细化。当提高Δφ2与360°的最小公倍数时，所得到的细化倍数也将提高，从而提高相位分辨率。通过计算分析，直接利用所选初始参考频率50MHz输入PLL进行参考移相时，所选PLL的分频比N值为212，若通过调整输入给锁相环的参考频率使所要求的分频比为211，由于211的质数特性，能使理论计算获得的相位分辨率Δφ2与360°的最小公倍数最大，从而最大化相位细化次数，提高相位分辨率。
因此在设置N分频器的分频比N的值时，可采用以下方法来确定：
a)采用参考频率信号发生器产生初始参考频率，所述初始参考频率在该频率点附近具有大于预设值的相位分辨率和小于预设值的杂散；
b)将所需输出频率除以所选初始参考频率，将所得结果的预设范围内分别依次递加1和递减1(假设结果为212，则可依次计算211,213,210,214……)，选择能够使N与参考频率信号发生器相位分辨率的乘积不被360°整除，且使N和参考频率信号发生器相位分辨率的乘积与360°的最小公倍数最大的值作为分频比N的值；
c)调整参考频率信号发生器产生的参考频率，使得参考频率＝所需输出频率/N。
通过以上分析，本实施例还提供了一种与上述移相器对应的移相方法，包括以下步骤：
(1)选择锁相环，所述锁相环包括鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和N分频器，所述鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、N分频器环形连接；
(2)选择参考频率信号发生器，将所述参考频率信号发生器产生的参考频率输入所述锁相环；所述参考频率信号发生器可选择数字频率合成器；
(3)调整N分频器的分频比N的值，使其满足以下条件：使得N与参考频率信号发生器相位分辨率的乘积不被360°整除，且N和参考频率信号发生器相位分辨率的乘积与360°的最小公倍数最大；
(4)所述压控振荡器的输出即为所需输出频率。
其中，所述调整N分频器的分频比N的值，所采用的方法为：
a)采用参考频率信号发生器产生初始参考频率，所述初始参考频率在该频率点附近具有大于预设值的相位分辨率和小于预设值的杂散；
b)将所需输出频率除以所选初始参考频率，将所得结果的预设范围内分别依次递加1和递减1，选择能够使N与参考频率信号发生器相位分辨率的乘积不被360°整除，且使N和参考频率信号发生器相位分辨率的乘积与360°的最小公倍数最大的值作为分频比N的值；
c)调整参考频率信号发生器产生的参考频率，使得参考频率＝所需输出频率/N。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种提高相位分辨率的参考移相器，其特征在于：包括参考频率信号发生器和与之相连的锁相环，所述参考频率信号发生器产生参考频率并输入所述锁相环，所述锁相环包括鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和N分频器，所述鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、N分频器环形连接，所述压控振荡器的输出为所需输出频率，所述N分频器的分频比N的值满足以下条件：使得N与参考频率信号发生器相位分辨率的乘积不被360°整除，且N和参考频率信号发生器相位分辨率的乘积与360°的最小公倍数最大。
2.根据权利要求1所述的提高相位分辨率的参考移相器，其特征在于：所述N分频器的分频比N的值的确定方法为：
a)采用参考频率信号发生器产生初始参考频率，所述初始参考频率在该频率点附近具有大于预设值的相位分辨率和小于预设值的杂散；
b)将所需输出频率除以所选初始参考频率，将所得结果的预设范围内分别依次递加1和递减1，选择能够使N与参考频率信号发生器相位分辨率的乘积不被360°整除，且使N和参考频率信号发生器相位分辨率的乘积与360°的最小公倍数最大的值作为分频比N的值；
c)调整参考频率信号发生器产生的参考频率，使得参考频率＝所需输出频率/N。
3.根据权利要求1所述的提高相位分辨率的参考移相器，其特征在于：所述参考频率信号发生器为数字频率合成器。
4.一种提高相位分辨率的参考移相方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)选择锁相环，所述锁相环包括鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和N分频器，所述鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、N分频器环形连接；
(2)选择参考频率信号发生器，将所述参考频率信号发生器产生的参考频率输入所述锁相环；
(3)调整N分频器的分频比N的值，使其满足以下条件：使得N与参考频率信号发生器相位分辨率的乘积不被360°整除，且N和参考频率信号发生器相位分辨率的乘积与360°的最小公倍数最大；
(4)所述压控振荡器的输出即为所需输出频率。
5.根据权利要求4所述的提高相位分辨率的参考移相方法，其特征在于：所述调整N分频器的分频比N的值，所采用的方法为：
a)采用参考频率信号发生器产生初始参考频率，所述初始参考频率在该频率点附近具有大于预设值的相位分辨率和小于预设值的杂散；
b)将所需输出频率除以所选初始参考频率，将所得结果的预设范围内分别依次递加1和递减1，选择能够使N与参考频率信号发生器相位分辨率的乘积不被360°整除，且使N和参考频率信号发生器相位分辨率的乘积与360°的最小公倍数最大的值作为分频比N的值；
c)调整参考频率信号发生器产生的参考频率，使得参考频率＝所需输出频率/N。
6.根据权利要求4所述的提高相位分辨率的参考移相方法，其特征在于：所述参考频率信号发生器为数字频率合成器。
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