一种用于调频连续波雷达系统的频率源工程设计

一种用于调频连续波雷达系统的频率源工程设计
赵楠;张信民;周熹;李江
【摘要】调频连续波雷达系统要求调频连续波具有较高的线性度,可实现较高的测距精度.针对此高线性度需求设计了一种基于锁相原理的直接控制VCO输出Ku波段线性调频连续波的频率源,分析其工作原理并给出了测试结果.该频率源电路原理简单,体积小,降低了系统复杂度;同时具有完全独立于VCO线性度的高线性度波形调制特性,大大改善了雷达探测性能.
【期刊名称】《雷达与对抗》
【年(卷),期】2015(035)003
【总页数】4页(P38-40,59)
【关键词】调频连续波雷达;频率源;Ku波段;锁相环;测距
【作者】赵楠;张信民;周熹;李江
【作者单位】中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153;中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153;中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153;中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153
【正文语种】中文
【中图分类】TN958.94
一种用于调频连续波雷达系统的频率源工程设计
赵楠，张信民，周熹，李江
(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)
摘要:调频连续波雷达系统要求调频连续波具有较高的线性度，可实现较高的测距精度。

针对此高线性度需求设计了一种基于锁相原理的直接控制VCO输出Ku 波段线性调频连续波的频率源，分析其工作原理并给出了测试结果。

该频率源电路原理简单，体积小，降低了系统复杂度;同时具有完全独立于VCO线性度的高线性度波形调制特性，大大改善了雷达探测性能。

关键词:调频连续波雷达;频率源; Ku 波段;锁相环;测距
中图分类号: TN958. 94
文献标志码: A
文章编号: 1009－0401(2015) 03－0038－03
收稿日期: 2015-04-03;修回日期: 2015-04-14
作者简介:赵楠(1985-)，男，工程师，硕士，研究方向:微波与射频电路;张信民(1978-)，男，高级工程师，硕士，研究方向:雷达信号接收;周熹(1980-)，女，高级工程师，硕士，研究方向:相控阵TR组件;李江(1985-)，男，工程师，硕士，研究方向:微波与射频电路。

Engineering design of a frequency source for FMCW radar system
ZHAO Nan，ZHANG Xin-min，ZHOU Xi，LI Jiang
(No．724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)
Abstract: It is required that the frequency modulated continuous wave (FMCW) should have high linearity to realize high range-finding precision for the FMCW radar system．A frequency source that can directly control the voltage-controlled oscillator (VCO) to output the Ku-band linear FMCW is designed based on the principle of the phase-locked loop according to the requirement of high linearity．The working principle of the frequency source is analyzed with the test results given．The frequency source features simple circuit principle and small size，reducing the complexity of the system．At the same time，it has the high-linearity waveform modulation characteristic completely independent of the VCO linearity，greatly improving radar detection performance．
Keywords: FMCW; frequency source; Ku band; phase-locked loop; range finding
0 引言
调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，简称FMCW)是高精度
连续波雷达实现测距功能经常采用的一种调制方式。

其发射波为高频连续波，频率随时间按照三角波规律变化，雷达接收的回波的频率与发射的频率变化规律相同，也呈三角波规律，只是有一个时间差，利用这个微小的时间差可以计算出目标距离。

图1为FMCW雷达测距原理图。

传统的测距雷达频率源使用三角波控制VCO产生调频连续波
［1］。

这样产生的调频连续波线性度受到VCO自身线性度的制约，不足以满足较高的测距精度。

近年来，DDS + PLL混频方式也被应用于产生调频连
续波信号
［2］，产生的调频连续波信号线性度高，频率稳定性高，但电路相对
复杂，杂散不易控制。

图1 FMCW雷达测距原理图
本文利用PLL芯片ADF4158设计了一种利用锁相方法直接产生调频连续波的电路。

其电路结构简单，具有高线性度、杂散抑制好的特点。

1 电路设计
锁相环是一个使输出信号(由振荡器产生的)与参考信号或者输入信号在频率和相位上同步的电路。

在同步(通常称为锁定)状态时，振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为零，或者保持常数。

如果出现相位误差，误差信号经放大整形环路滤波后形成控制电压，控制压控振荡器(VCO)的输出频率与相位，使得相位误差再次减小到最小。

在这样的控制系统中，实际输出信号的相位锁定到参考信号的相位［3］。

通常锁相环由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器组成。

本文使用ADI公司的ADF4158作为PLL芯片，射频带宽到6．1 GHz，支持亚赫兹频率分辨率，具有频率和相位调制功能，可在频域内产生锯齿波或三角波调制的射频信号。

VCO使用Hittite公司的HMC632LP5E，输出频率14．25～15．65 GHz，同时具有二分频和四分频输出端口。

环路滤波器使用ADIsim-PLL
软件设计，电路如图2所示。

图2 电路原理图
电路的输入参考信号频率为10 MHz，设定射频输出中心频率14．9 GHz、带宽200 MHz的调频连续波信号，调制波形为三角波形式，三角波周期1 ms。

ADF4158的射频输入最高频率为6．1 GHz。

因此，将VCO的四分频端接入ADF4158射频输入，以实现反馈。

ADF4158的鉴相输出通过环路滤波器，控制VCO的输出。

环路带宽选择500 kHz，采取有源环路滤波形式。

根据ADF4158的相关资料，要实现14．9 GHz中心频率输出需要正确配置芯片内的相关寄存器。

N寄存器、R寄存器和FRAC寄存器的值由下式决定:
其中，RF
out为输出频率，f
PFD为鉴相频率。

为了产生200 MHz调频连续波信号，周期1 ms，需要配置DEV，DEV_OFFSET，以及CLK
1寄存器，其值由下式决定:
其中，f
DEV为频率偏移步进，f
RES= f
PFD/2
25，DEV
MAX是最大偏移值(2
15)。

CLK
2=1，Timer =0．5 ms/(200 MHz/f
DEV)。

2 测试结果
2．1相位噪声测试
首先测试锁相环输出15 GHz单频点的相位噪声，将ADF4158寄存器配置在输出单频点工作模式。

参考信号频率10 MHz，鉴相频率选取10 MHz，VCO输出单
点的15 GHz信号，VCO四分频输出3．75 GHz，则分频比为375。

根据公式(1)、(2)计算得出相关的寄存器数值，通过CPLD程序写入ADF4158中对应的寄存器，再调节环路滤波器使电路达到锁定状态。

用R＆S公司的频谱分析仪FSW测试锁定的15GHz单点信号的相位噪声，测试
结果如图3所示。

参考信号10 MHz为信号源产生，相位噪声－140 dBc/Hz@10 kHz。

理论上锁
相环产生的15 GHz信号相位噪声为－140 dBc/Hz @ 10 kHz + 20log (15000/10) +3 =－73．5 dBc/Hz@10 kHz。

图3中显示15 GHz信号的相位噪声测试结果为－69．9 dBc/Hz @10 kHz，能满足系统指标需求，但相比理论值
结果恶化了3. 6 dB。

这与被测电路板的电路布局以及模数混合设计走线有关，后续可通过优化布局设计及电路走线来逼近理论指标。

图3 14．9 GHz单点信号相位噪声
2．2带宽及杂散测试
将AD4158寄存器配置在输出线性调频连续波工作模式。

用R＆S公司的频谱分析仪FSW测试电路输出信号，将频谱仪的sweep time设置为1s，适当调节RBW和VBW，测试结果如图4。

左图span设置在500 MHz，可以看到信号带宽从14．8 GHz－15 GHz，覆盖200 MHz，达到了设计预期。

右图span设置在10 GHz，近端(1 GHz内)杂散优于70 dBc，远端杂散优于55 dBc，主要杂散分布在3/4RF
out和5/4RF
out。

这是由于VCO的四分频与RF
out混频产生的，可通过选择合适的滤波器滤波实现远端杂散优于70 dBc。

2．3线性度测试
为了看到信号在时域上频率的变化，使用Tektronix公司的实时频谱分析仪RSA6114A测试信号。

由于RSA6114A的最高测试频率是14 GHz，而频率源输出中心频率14．9 GHz，超过了量程。

可以测试VCO的二分频输出端信号，即7．45 GHz(带宽100 MHz)，也可以反映信号频率在时域上的变化。

测试结果如图5所示。

左图为信号频谱，频率范
图4 带宽及杂散测试图
图5 实时频谱分析仪测试结果。