CN202083794U - 一种非相参雷达频率跟踪器 - Google Patents

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何建新
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Chengdu University of Information Technology
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Abstract

本实用新型公开一种非相参雷达频率跟踪器，包括磁控管发射机、定向耦合器、混频滤波模块、频率跟踪器、直接数字式频率合成器、本地时基倍频器、天线、环行器、低噪声放大器和混频器，磁控管发射机的输出端与定向耦合器相连，定向耦合器的一输出端与环行器的输入端相连，环形器的输出端通过低噪声放大器与混频器相连，定向耦合器的另一输出端与混频滤波模块的输入端相连，混频滤波模块的输出端与频率跟踪器相连，频率跟踪器的输出端通过直接数字式频率合成器与倍频器的输入端相连，倍频器的输出端与混频器和混频滤波模块相连。该实用新型能够提高频率跟踪的锁定时间，实现快速频率跟踪，提高频率分辨率、跟踪精度、抗干扰能力，减小系统复杂度。

Description

一种非相参雷达频率跟踪器
技术领域
本实用新型涉及一种非相参雷达频率跟踪器，属于频率跟踪器技术领域。
背景技术
磁控管是一种用来产生微波能的电真空器件，其实质上是一个置于恒定磁场中的二极管。管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，与高频电磁场发生相互作用，把从恒定电场中获得能量转变成微波能量，从而达到产生微波能的目的。磁控管的特点是结构简单、功率大、效率高、工作电压低、尺寸小、重量轻、成本低、价格便宜、电源简单以及适应负载变化的能力强，因此在现代雷达系统中得到重用。但是，现有磁控管的频率漂移严重，发射初始相位不确定，这将直接导致后端信号处理无法计算出多普勒速度，大大降低了该雷达的使用价值和应用范围。
目前，现有磁控管雷达频率跟踪器的技术方案主要为：如图1所示为锁相环PLL的原理框图，采用鉴相技术以及采用锁相环直接对发射样本进行鉴相，产生本振偏差调整时基，从而实现频率跟踪。虽然锁相环PLL技术具有高频率、宽频、频谱质量好等优点，但其频率分辨率和转换速度较低，频率跟踪锁定时间慢，不能快速地进行频率切换，不能满足非相参雷达频率实时跟踪要求，且抗干扰能力差。
因此，快速有效地跟踪磁控管的瞬时频率，使接收机中频输出频率达到信号处理带宽要求，成为改进磁控管雷达性能的关键。
实用新型内容
本实用新型的目的是：针对上述现有技术的不足之处，提供一种非相参雷达频率跟踪器，能够提高频率跟踪的锁定时间，实现快速频率跟踪，提高频率分辨率和跟踪精度，提高抗干扰能力，减小系统复杂度。
为了实现上述目的，本实用新型解决技术问题采用的技术方案是：提供一种非相参雷达频率跟踪器，其包括磁控管发射机、定向耦合器、混频滤波模块、频率跟踪器、直接数字式频率合成器、本地时基倍频器、天线、环行器、低噪声放大器和混频器，磁控管发射机的输出端与定向耦合器相连，定向耦合器的一输出端与环行器的输入端相连，环形器的输出端通过低噪声放大器与混频器相连，定向耦合器的另一输出端与混频滤波模块的输入端相连，混频滤波模块的输出端与频率跟踪器相连，频率跟踪器的输出端通过直接数字式频率合成器与倍频器的输入端相连，倍频器的输出端与混频器和混频滤波模块相连。
作为一种优选方式，直接数字式频率合成器采用AD公司的AD9858芯片。其中，DDS即直接数字式频率合成器Direct Digital Synthesizer的英文缩写。
更近一步地，DDS采用SPI串行配置方式配置，配置时钟(dds_sclk)为4.8MHz，DDS输出频率为185MHz-189MHz，其中，SPI即高速同步串行口SerialPeripheral interface的英文缩写。
进一步地，混频滤波模块中设置窄带低通滤波高速ADC，采用窄带低通滤波高速ADC对样本信号采样，得到中频样本信号，其中，ADC是数模转换器Analog-to-Digital Converter的英文缩写。
其中，上述DDS与传统的频率合成器相比，具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点。
与现有技术相比，本实用新型带来的有益效果为：该实用新型结构简单、合理，能够提高频率跟踪的锁定时间，实现快速频率跟踪，提高频率分辨率和跟踪精度，提高抗干扰能力，减小系统复杂度，频率跟踪器能够快速的跟踪磁控管频率漂移，采用窄带低通滤波高速ADC与FPGA(FPGA即现场可编程门阵列Field-Programmable Gate Array的英文缩写)相结合的硬件架构，基于FPGA的功率优先判定法，以DDS作为频差时基输出调整时基，精度高、控制灵活，保证后端处理正确性，使非相差雷达的应用领域大大提高，雷达机动性、快捷性得到充分体现。
附图说明
图1为现有技术中的PLL的原理框图；
图2为本实用新型非相参雷达频率跟踪器的结构图。
具体实施方式
本实用新型的上述技术方案及其优点，通过下述实施例结合附图进行深入说明。
如图2所示，非相参雷达频率跟踪器包括：磁控管发射机、定向耦合器、混频滤波模块、频率跟踪器、直接数字式频率合成器、本地时基倍频器、天线、环行器、低噪声放大器和混频器，磁控管发射机的输出端与定向耦合器相连，定向耦合器的一输出端与环行器的输入端相连，环形器的输出端通过低噪声放大器与混频器相连，定向耦合器的另一输出端与混频滤波模块的输入端相连，混频滤波模块的输出端与频率跟踪器相连，频率跟踪器的输出端通过直接数字式频率合成器与倍频器的输入端相连，倍频器的输出端与混频器和混频滤波模块相连。
磁控管发射机输出信号经定向耦合器耦合后输出发射机射频样本，发射机射频样本一路通过环形器及低噪声放大器放大后进入混频器，发射机射频样本另一路输入混频滤波模块中进行下混频，采用窄带低通滤波高速ADC对样本信号采样，得到中频样本信号，该信号输入频率跟踪器并经其中的AD采样后再进行功率跟踪，采用FPGA内部对信号的优先判别处理机制得到频差调整信号，该信号通过数字接口输入DDS，并以DDS作为频差时基输出调整时基，DDS输出信号进入倍频器，DDS输出信号与倍频器输出信号进行上混频作为接收通道的本振时钟，实现对磁控管发射机输出频率的实时跟踪。OSC输入信号给倍频器，该OSC即振荡器Open Source Commerce的英文缩写。倍频器将本振信号一路输入混频滤波模块，另一路输入混频器并与先前进入混频器的信号进行上混频，在混频滤波模块中，当发射机射频样本频率与本振频率频偏大时，下混频出来的频偏也会大，这样中频信号进行窄带滤波时就会被滤除掉，后端对信号功率判别就会失效。混频器输出中频。
其中：DDS与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点。
在频率跟踪器中，通过高速ADC芯片AD6645对样本信号进行直接采样，在FPGA内部对得到的高精度数字信号进行功率判别，并做防干扰滤波处理，一旦判别结果失效，即频率尚未跟踪锁定，这时差频调整信号LOCK_CHECK为低电平，启动DDS配置以步进2KHz提高DDS输出频率，直到功率判别生效，差频调整信号LOCK_CHECK为高电平，停止DDS配置，频率跟踪结束。由于DDS采用串行配置，配置时钟4.8MHz，对4MHz调整范围，只需要数毫秒，就完全满足跟踪速度和跟踪精度要求。
AD6645最大采样率可达105Msps，采样精度14位，SFDR可达100dB，典型信噪比为74dB，有效提升了系统灵敏度和线性动态范围。中频样本信号经AD直接采样后，输出14位数字量。
DDS采用AD公司的AD9858芯片，其内置了一个10位DAC，工作速度最高达1GSPS，可输出最高400MHz的频率捷变模拟输出正弦波。AD9858芯片专为提供快速跳频和精密调谐分辨率(32位频率调谐字)而设计。频率调谐和控制字以并行(8位)或串行加载格式载入。器件内置一个集成式电荷泵(CP)和相位频率检波器(PFD)，适合同时要求高速DDS与锁相环功能的频率合成应用。AD9858芯片的时钟输入上还具有二分频特性，使外部时钟速率可以高达2GHz。本实用新型采用SPI串行配置方式配置DDS，配置时钟dds_sclk为4.8MHz，DDS输出频率为185MHz-189MHz，DDS输出信号经滤波、倍频器、功放后得到9250MHz-9450MHz 15.5dBm射频信号作为本振信号。本实用新型中DDS输出频率为185MHz-189MHz，DDS输出信号经倍频器倍频50倍后得到9250MHz-9450MHz射频信号。
DDS采用AD公司的AD9858芯片。所述DDS的主要特点如下：
1.具有1GSPS的采样速率；
2.具有高达2GHz的输入时钟(通过2分频)；
3.集成有10位D/A转换器；
4.内含32位可编程频率寄存器；
5.带有8位并行及SPI串行控制接口；
6.具有自动频率扫描功能；
7.内带4个频率寄存器；
8.采用3.3V低压电源供电；
9.电荷泵独立供电电压可达5V；
10.集成有2GHz混频器。
采用本实用新型所述非相参雷达频率跟踪器可以达到如下性能指标：
1、频率跟踪锁定时间：≤100ms；
2、频率分辨率：100KHz；
3、频率跟踪带宽：200MHz；
4、输出信号功率：15.5dBm；
5、输出信号谐波：≤-70dBm。
因此，本实用新型所述非相参雷达频率跟踪器不仅结构简单、合理，还能够提高频率跟踪的锁定时间，实现快速频率跟踪，提高频率分辨率和跟踪精度，提高抗干扰能力，减小系统复杂度，频率跟踪器能够快速地跟踪磁控管频率漂移，采用窄带低通滤波高速ADC与FPGA相结合的硬件架构，基于FPGA的功率优先判定法，以DDS作为频差时基输出调整时基，精度高、控制灵活，保证后端处理正确性，使非相差雷达的应用领域大大提高，雷达机动性、快捷性得到充分体现。
如熟悉此技术的人员所了解的，以上所述本实用新型的较佳实施例仅用于帮助了解本实用新型的实施，本实用新型不限于上述实施方式，本领域普通技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本实用新型的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种非相参雷达频率跟踪器，包括磁控管发射机、定向耦合器、混频滤波模块、频率跟踪器、直接数字式频率合成器、本地时基倍频器、天线、环行器、低噪声放大器和混频器，磁控管发射机的输出端与定向耦合器相连，定向耦合器的一输出端与环行器的输入端相连，环形器的输出端通过低噪声放大器与混频器相连，其特征在于：定向耦合器的另一输出端与混频滤波模块的输入端相连，混频滤波模块的输出端与频率跟踪器相连，频率跟踪器的输出端通过直接数字式频率合成器与倍频器的输入端相连，倍频器的输出端与混频器和混频滤波模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种非相参雷达频率跟踪器，其特征在于：直接数字式频率合成器采用AD公司的AD9858芯片。
3.根据权利要求1或2所述的一种非相参雷达频率跟踪器，其特征在于：直接数字式频率合成器采用高速同步串行口串行配置方式配置，配置时钟为4.8MHz，直接数字式频率合成器输出频率为185MHz-189MHz。
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