CN211014624U - 基于雷达使用的Ka波段频率合成器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于雷达使用的Ka波段频率合成器，包括信号源输入电路，由80MHZ晶振和耦合器串联而成，80MHZ晶振用于产生80MHZ信号，由耦合器分频得到一本振输入信号和二本振输入信号；用于输出一本振16.8GHz信号的一本振电路，用于输出二本振1.54GHz信号的二本振电路，激励信号电路，包括串联的一级放大电路和二级放大电路，所述二本振电路输出端与一60MHz中频信号混频后接入一级放大电路输入端，所述一本振电路2倍频后与一级放大电路输出端连接至所述二级放大电路输入端，所述二级放大电路用于产生35.2GHz激励信号，使用本方案用于输出适用于雷达产品的激励信号。

Description

基于雷达使用的Ka波段频率合成器

技术领域

本实用新型涉及雷达领域，具体涉及一种基于雷达使用的Ka波段频率合成器。

背景技术

频率源是雷达系统的心脏，其中频率源的最重要的指标是相位噪声。如果频率源的相位噪声很差，那么雷达的反射波就会淹没在噪声之下，雷达的探测距离就会大大缩短，这个现象在多普勒雷达中更明显。在毫米波段，频率源的相位噪声很难做到雷达的最低要求指标 -105dBc@1KHz，就用赛英的产品SIN-KaTRX5-T为例，SIN-KaTRX5-T的相位噪声才-97dBc@1KHz@35.2GHz比雷达需求的相位噪声指标差8dBc。我对该频率源方案从新设计，其指标已经可以达到-105dBc@1KHz@35.2GHz，满足雷达使用的最低相位噪声指标；并且这个指标还可进一步优化。

发射激励源的改善因子I(1000Hz)，极限改善因子计算公式

式中：I为极限改善因子(dB)，S/N为信号噪声比(dB)，B为频谱分析仪分析带宽(Hz)，

PRF为发射脉冲重复频率(Hz)。

市面上常规同类产品为I(1000Hz)≥45dB。

35GHz这个频率段的常规频率源，远端相位噪声比较差。约为-110dBc@1MHz@35.2GHz、 -110dBc@10MHz@35.2GHz、-110dBc@1GHz@35.2GHz。

市面上毫米波接收组件通常会用谐波混频器，谐波混频器输入输出驻波非常差，而且实际工程应用中谐波混频器对本振的输入功率稳定要求非常高：1、谐波混频器输出杂散，互调非常多难以控制，必须要本振功率固定到某一值(约13dBm)时才能正常工作；2、对于雷达来讲，其工作环境在野外，气温变化为(-40℃～70℃)，在这个温度剧烈的变化中，微波本振的功率也会随环境温度变化，所以谐波混频器不适用于雷达产品。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于雷达使用的Ka波段频率合成器，用于输出适用于雷达产品的激励信号。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于雷达使用的Ka波段频率合成器，包括：

信号源输入电路，由80MHZ晶振和耦合器串联而成，80MHZ晶振用于产生80MHZ信号，由耦合器分频得到一本振输入信号和二本振输入信号；

一本振电路，所述一本振电路输入端连接所述耦合器的输出端口一，一本振电路输出端输出一本振16.8GHz信号；

二本振电路，所述二本振电路输入端连接所述耦合器的输出端口二，二本振电路输出端输出二本振1.54GHz信号；

激励信号电路，包括串联的一级放大电路和二级放大电路，所述二本振电路输出端与一 60MHz中频信号混频后接入一级放大电路输入端，所述一本振电路2倍频后与一级放大电路输出端连接至所述二级放大电路输入端，所述二级放大电路用于产生35.2GHz激励信号。

进一步的，所述一本振电路由介质锁相振荡器、2倍频器A、放大器A、调频器、功分器A依次串联组成，所述介质锁相振荡器输入端连接所述耦合器的输出端口一。

进一步的，所述二本振电路由所述耦合器依次串联的放大器B、功分器B、同轴介质振荡器、功分器C组成，所述放大器B的输入端连接所述耦合器的输出端口二。

进一步的，所述一级放大电路由一级混频器、一级调频器、一级放大管依次串联而成，一本振电路输出端连接所述一级混频器输入端；

所述二级放大电由二级混频器、二级调频器、二级放大管、耦合器依次串联组成，所述一本振电路输出端与所述二级混频器之间串联一个2倍频器B。

进一步的，所述2倍频器A和2倍频器B结构参数完全相同，其由一级放大管、二级放大管、三级放大管组成；

所述一级放大管、二级放大管、三级放大管共漏极电压VD；

所述二级放大管、三级放大管共栅极电压Vg；

所述一级放大管栅极接倍频电压Vg1，其中所述一级放大管输入P1小于-10dBm～-5dBm。

进一步的，所述一级放大管、二级放大管、三级放大管型号为GaSn放大管。

进一步的，所述功分器C还输出：

一路80M时钟信号；

一路依次串联调频器A、3倍频器、调频器B、放大器B输出240M时钟。

其中，80MHz时钟信号，送到外部雷达信号处理器的时钟分配电路；240MHz送到雷达 DDS阵列做参考时钟。

进一步的，所述一级混频器前端连接一个中频数字模块，所述60MHz中频信号由该中频数字模块产生。

本实用新型的有益效果是：

1)本方案极大的改善了35.2GHz频率源的相位噪声，理论极限值可以优化到-111dBc@1KHz@35.2GHz，实际样机测试值为-105dBc@1KHz@35.2GHz，远高于市面上常规毫米波频率源指标-97dBc@1KHz@35.2GHz。

2)、改善了毫米波雷达系统的相位噪声和极限改善因子，使毫米波水浮植物雷达系统的相位噪声达到-105dBc@1KHz@35.2GHz；雷达系统的极限改善因子优化到I(1000Hz)≥51dB，高于市面上同等条件下常规毫米波雷达的指标。

3)、让雷达回波更具有相干性，和抗干扰能力。

4)、将谐波混频器，改进为倍频器+GaSn(砷化镓)混频器，让频率源系统输出始终有稳定的纯净信号。

5)、实用新型将GaSn(砷化镓)放大器改良成倍频器：1、输入的GaSn(砷化镓)放大器的频率不在放大器工作频段内；2、通过GaSn(砷化镓)放大器的工作频率段来筛选倍频输出的频率，及倍频后不用滤波器就可以作为纯净的本振信号使用；3、减少了频率源倍频通道的使用器件数量，使频率源相位噪声得到一定的优化。

6)、距离频谱远端相位噪声得到极大的改良，频谱远端相位噪声优于 -119dBc@1MHz@35.2GHz、-144dBc@10MHz@35.2GHz、-153dBc@1GHz@35.2GHz。

7)、使用了CRO(同轴介质振荡器)技术，从而改善锁相环输出的相位噪声。

8)、雷达的极限改善因子I(1000Hz)优化到≥52dB。

附图说明

图1为本实用新型的系统框图；

图2为改良后的2倍频器A/2倍频器B电路图；

图3为GaSn(砷化镓)级联放大器的原理图

图4为二级放大管、三级放大管频率响应曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下。

如图1所示，一种基于雷达使用的Ka波段频率合成器，包括：

信号源输入电路，由80MHZ晶振和耦合器串联而成，80MHZ晶振用于产生80MHZ信号，由耦合器分频得到一本振输入信号和二本振输入信号；

一本振电路，一本振电路输入端连接耦合器的输出端口一，一本振电路输出端输出一本振16.8GHz信号；

二本振电路，二本振电路输入端连接耦合器的输出端口二，二本振电路输出端输出二本振1.54GHz信号；

激励信号电路，包括串联的一级放大电路和二级放大电路，二本振电路输出端与一60MHz中频信号混频后接入一级放大电路输入端，一本振电路2倍频后与一级放大电路输出端连接至二级放大电路输入端，二级放大电路用于产生35.2GHz激励信号。

一本振电路由介质锁相振荡器、2倍频器A、放大器A、调频器、功分器A依次串联组成，介质锁相振荡器输入端连接耦合器的输出端口一。

二本振电路由耦合器依次串联的放大器B、功分器B、同轴介质振荡器、功分器C组成，放大器B的输入端连接耦合器的输出端口二。

一级放大电路由一级混频器、一级调频器、一级放大管依次串联而成，一本振电路输出端连接一级混频器输入端；

二级放大电由二级混频器、二级调频器、二级放大管、耦合器依次串联组成，一本振电路输出端与二级混频器之间串联一个2倍频器B。

80MHZ晶振产生80MHz纯净频率送给PDRO(介质锁相振荡器)，由PDRO(介质锁相振荡器)介质锁相器产生一个非常高的基准频率8.4GHz，通过自己2倍频器A产生一本振16.8GHz；在将一路80MHz做参考送给PLL+CRO(同轴介质振荡器)产生出二本振1.54GHz。60MHz为中频数字模块产生出来的中频信号，将60MHz先后与二本振混频得到1.6GHz，在用1.6GHz与一本振的2倍频器B，从而得到高相位噪声的35.2GHz激励信号。

激励信号35.2GHz是通过60MHz中频先后与二本振混频和一本振的2倍频器B得到的，其相位噪声指标取决于60MHz中频、二本振、一本振的2倍频中，相位噪声最差的那个。60MHz 有数字模块产生，其相位噪声约-130dBc@1KHz；二本振1.54GHz由PLL+CRO(同轴介质振荡器)产生。

其相位噪声约＝-221+10lg(80MHz)+20lg(19.25)＝-221+79+26＝-116dBc@1kHz；前面2个的指标都远高于-105dBc@1KHz，所以只要一本振的2倍频相位噪声优于-105dBc@1KHz即可实现本产品的其中一个核心指标：输出激励信号相位噪声-105dBc@1KHz@35.2GHz。这个指标跟整个方案的许多细节是密不可分的，下面我来详细介绍这些细节。

80MHz晶振输出采用耦合器分频方式，其原因是：1)晶振是这个世界上相位噪声最低的期间，其经过任何期间后相位噪声只能恶化，绝对不会变好；2)晶振通过耦合器的主路把参考信号送给PDRO(介质锁相振荡器)，这样就能保证主路上送给PDRO(介质锁相振荡器)的相位噪声损失最小，如果用功分器的副路的影响会相对比较大；3)耦合器主路功率高，这样在高低温时主路上就不需要加放大器来稳定PDRO(介质锁相振荡器)鉴相频率的功率，而晶振输出的频率，经过放大器后，其相位噪声必定恶化很多。

采用PDRO(介质锁相振荡器)模式，而不采用梳状谱(阶跃二极管)模式：1)阶跃二极管在16.8GHz这个高频段，基低噪声非常高(远端相位噪声高)，其根本原因是，所有器件(包括晶振)输出的远端噪声主要是白噪声，其值为一个常数(通常晶振远端噪声＝-170dBc)，这个噪声通过阶跃二极管倍频后理论恶化值＝20lgN＝46.5dBc，及梳状谱输出16.8GHz时基底噪声理论值＝-123.5dBc(由于链路中会加入放大器，这个值一般更小)；2)PDRO(介质锁相振荡器)是间接频率合成，其远端噪声只跟DRO有关系，而DRO这个期间的远端噪声＝白噪声(其值为一个常数，约为-155dBc)；3)频谱近端的相位噪声有因为环路滤波器大量压制了噪声功率，所以近端相位噪声PDRO(介质锁相振荡器)也远优于阶跃二极管。总结：PDRO (介质锁相振荡器)的相位噪声远优于阶跃二极管，当频率源的相位噪声大幅度提高后，那么雷达的极限改善因子优化到I(1000Hz)优化到≥52dB。

如图2所示，2倍频器A和2倍频器B结构参数完全相同，其由一级放大管、二级放大管、三级放大管组成；一级放大管、二级放大管、三级放大管共漏极电压VD；二级放大管、三级放大管共栅极电压Vg；一级放大管栅极接倍频电压Vg1，其中一级放大管输入P1小于 -10dBm～-5dBm，其中，2倍频器A和2倍频器B型号为GaSn放大器。

一般GaSn(砷化镓)级联放大器的原理图如图3所示，需要加载栅极电压Vg和漏极电压VD才能工作，将GaSn(砷化镓)级联放大器芯片做一些改动，将裸芯片第一级放大管的栅压线割断，然后从新引出Vg1，调节Vg1使电压使第一级放大管工作在非线性失真状态(及调节第一级放大管的P1，使输入P1小于-10dBm～-5dBm)，这样第一级放大管就会产生很多N倍频信号，从而达到倍频目的，其中Vg1＝1.25V。

放大器倍频的同时，我们还要注意对倍频信号的筛选，这里我们用后面2级(即二级放大管、三级放大管)GaSn(砷化镓)放大器的增益曲线只工作在30～40GHz这个频段内的特性，来滤除杂散；后面2级GaSn(砷化镓)放大器频率响应曲线如图4所示。

相当于将GaSn(砷化镓)级联放大器芯片第一级放大管的栅压线割断，然后从新引出 Vg1，调节Vg1使电压使第一级放大管工作在非线性失真状态；2)、给GaSn(砷化镓)级联放大器芯片输入16.8GHz信号，虽然16.8GHz信号不在GaSn(砷化镓)级联放大器频率响应范围内，但第一级放大管工作在非线性失真状态，过大的输入信号能量不可能凭空消失，只能在以倍频信号的能量释放出来，所以2倍频功率很高；3)、倍频后的输出信号主要有：16.8GHz，33.6GHz，50.4GHz；4)输出的倍频信号在后面2级GaSn(砷化镓)放大器中只有33.6GHz能响应，所以其他杂散背放大器滤除了；5)、此方法利用了毫米波倍频杂散距离很远和毫米波段的GaSn(砷化镓)放大器材料相对频率带宽很窄的特性。

CRO(同轴介质振荡器)的使用，改善锁相环输出的相位噪声：CRO(同轴介质振荡器) ＝介质压控振荡器，其优势在比晶体管VCO相位噪声高很多、更低的功耗、更好的远端相位噪声、体积比DRO小。其内部采用高Q值的CR(电阻和电容的混合电路)和变容二极管进行稳频和频率调谐

综上所述，本项目的最大的特点是：

1、采用80MHz参考频率；2、符合水浮植物雷达使用使用指标；3、输出激励频率35.2GHz 点频；4、极限理论相位噪声优于-111dBc@1KHz@35.2GHz；5、样机相位噪声优于 -105dBc@1KHz@35.2GHz；6、极限改善因子优化到I(1000Hz)≥51dB；7、实用新型将 GaSn(砷化镓)放大器改良成倍频器，从而优化微波链路的相位噪声(注意：输入的GaSn (砷化镓)放大器的频率不在，放大器工作频段内，这样可以通过GaSn(砷化镓)放大器的工作频率段来筛选倍频输出的频率)，及倍频后不用滤波器就可以作为纯净的本振信号使用。 8、使用了PDRO(介质锁相振荡器)锁相技术。9、频谱远端相位噪声优于 -119dBc@1MHz@35.2GHz、-144dBc@10MHz@35.2GHz、-153dBc@1GHz@35.2GHz。10、使用了CRO(同轴介质振荡器)技术，改善了系统相位噪声。11、晶振输出采用耦合器方式，从而保证主路上的相位噪声损失最小。12、同时满足上述条件。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于雷达使用的Ka波段频率合成器，其特征在于，包括：

信号源输入电路，由80MHZ晶振和耦合器串联而成，80MHZ晶振用于产生80MHZ信号，由耦合器分频得到一本振输入信号和二本振输入信号；

一本振电路，所述一本振电路输入端连接所述耦合器的输出端口一，一本振电路输出端输出一本振16.8GHz信号；

二本振电路，所述二本振电路输入端连接所述耦合器的输出端口二，二本振电路输出端输出二本振1.54GHz信号；

激励信号电路，包括串联的一级放大电路和二级放大电路，所述二本振电路输出端与一60MHz中频信号混频后接入一级放大电路输入端，所述一本振电路2倍频后与一级放大电路输出端连接至所述二级放大电路输入端，所述二级放大电路用于产生35.2GHz激励信号。

2.根据权利要求1所述的基于雷达使用的Ka波段频率合成器，其特征在于，所述一本振电路由介质锁相振荡器、2倍频器A、放大器A、调频器、功分器A依次串联组成，所述介质锁相振荡器输入端连接所述耦合器的输出端口一。

3.根据权利要求2所述的基于雷达使用的Ka波段频率合成器，其特征在于，所述二本振电路由所述耦合器依次串联的放大器B、功分器B、同轴介质振荡器、功分器C组成，所述放大器B的输入端连接所述耦合器的输出端口二。

4.根据权利要求3所述的基于雷达使用的Ka波段频率合成器，其特征在于，所述一级放大电路由一级混频器、一级调频器、一级放大管依次串联而成，一本振电路输出端连接所述一级混频器输入端；

所述二级放大电由二级混频器、二级调频器、二级放大管、耦合器依次串联组成，所述一本振电路输出端与所述二级混频器之间串联一个2倍频器B。

5.根据权利要求4所述的基于雷达使用的Ka波段频率合成器，其特征在于，所述2倍频器A和2倍频器B结构参数完全相同，其由一级放大管、二级放大管、三级放大管组成；

所述一级放大管、二级放大管、三级放大管共漏极电压VD；

所述二级放大管、三级放大管共栅极电压Vg；

所述一级放大管栅极接倍频电压Vg1，其中所述一级放大管输入P1小于-10dBm~-5dBm。

6.根据权利要求5所述的基于雷达使用的Ka波段频率合成器，其特征在于，所述一级放大管、二级放大管、三级放大管型号为GaSn放大管。

7.根据权利要求6所述的基于雷达使用的Ka波段频率合成器，其特征在于，所述功分器C还输出：

一路80M时钟信号；

一路依次串联调频器A、3倍频器、调频器B、放大器B输出240M时钟。

8.根据权利要求7所述的基于雷达使用的Ka波段频率合成器，其特征在于，所述一级混频器前端连接一个中频数字模块，所述60MHz中频信号由该中频数字模块产生。

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