例析雷达频综相位噪声设计及应用

例析雷达频综相位噪声设计及应用

1.引言

频综作为雷达的重要组成部分，其指标的优劣直接影响到雷达的工作性能，而相位噪声则是频综的关键技术指标。现代雷达系统的发展对频综技术指标要求越来越高，所以实现低相位噪声是频率合成的关键技术。

在调试中，相位噪声作为关键指标需要测试。为了快速准确地进行故障定位，我们需要清楚哪些因素使相位噪声恶化，因此，本文对某频综的相位噪声进行了分析研究，希望用理论指导生产，更好地为生产服务。

2.频综的组成

该频综为某雷达的发射机、接收机、信号处理器提供高质量、稳定的发射激励信号，本振信号，检测信号以及定时基准信号。它采用了直接与间接相结合的混合式合成方案，主要由通用模块、C波段合成模块及电源模块组成。

3.相位噪声分析及改善

相位噪声是指信号输出的无用的或多余的频谱，频综的输出相位噪声是其各环节的相位噪声线性叠加，总的相位噪声表达式为：

式（3-1）中，θO（t）为系统输出的相位噪声，θ01（t）～θ05（t）代表了晶振、混频、倍频、分频、PLL等各部分的相位噪声，各环节的相位噪声对频率合成的输出相位噪声有不同程度影响。

本文所述频综为混合式频综，直接式频率合成部分是将基准频率通过倍频、分频和混频进行算术运算，再通过开关滤波器组选出所需的输出频率；间接式频综是利用PLL构成的频综。因此不可避免的要使用晶体振荡器、倍频器、混频器、分频器、锁相环等。当信号通过时，它们的相位噪声对频综系统的相位噪声会有不同的影响。

晶体振荡器是整个频综的心脏，晶振指标决定了频综的输出指标。理论上频综输出相位噪声为：晶振的相位噪声+20lgN，N= Fc/Fr，Fc为输出频率，Fr为晶振频率。

在实际计算中，倍频器的相位噪声按照+20lgN变坏。该频综系统中倍频次数为10倍，因此，倍频器相位理论上变差20dBc/1kHz。

混频器是将中频IF信号与本振LO信号频率进行相加或相减，若混频器两个输入信号不是纯净理想信号，则在完成频率相加或相减的同时，也完成了相位噪声的相加或相减，即：

在实际工程中，通用混频器的相位噪声算法如下：

（1）当SLO（fm）=SIF（fm）或SLO（fm）≈SIF（fm），输出频率的相位噪声为输入信号的相位噪声减去3dBc/Hz，再减去2～3dBc/Hz的损耗。

（2）当SLO（fm）>>SIF（fm），输出频率的相位噪声的取决于LO的相位噪声。

该频综系统的输出信号进行了两次混频，得到发射激励信号。按照通用混频器的相位噪声算法推算可知，系统输出相位噪声由锁相环产生的微波频标所决定。

锁相环主要由鉴相器，环路滤波器及VCO组成，基本原理框图如图3.2所示。锁相环噪声和干扰主要来源于两个部分：一类是外部随输入信号一起进入环路的噪声和干扰，另外一类是环路内部器件产生的噪声。在锁相环中，输出的相位噪声主要由鉴相器与压控振荡器（VCO）决定，要，鉴相器的鉴相基底好可使输出频谱的近端相位噪声好；高纯度的压控振荡器可保证远端频谱好。本文考虑近端100KHz内的相位噪声，只对鉴相器的相位噪声进行分析计算。

本系统的锁相环采用双环结构。所谓双环结构，就是微波频标采用两个混频环构成--大步进环路与小步进环路。混频锁相環中，大步进锁相环采用高鉴相频率、大环路带宽来实现，小步进锁相环采用10MHz鉴相，能很好的解决小步进与低相位噪声间的矛盾。

在双环结构中，锁相环的带内相位噪声指标由大步进锁相环决定，带外相位噪声指标由小步进锁相环决定，考虑到环路附加噪声、变频附加噪声以及其它电路的附加噪声，最终输出信号的相位噪声满足指标要求，并且实际测得锁相环相位噪声与最终输出信号相位噪声一致，也说明了该系统的相位噪声由锁相环决定。

由上述分析可知，在该频综系统中，当晶体振荡器可以确保整个频综在较宽的温度范围能具有较高的频率稳定度时，其输出相位噪声主要有锁相环来决定。这也是影响该频综系统相位噪声最主要的因素。

4.故障分析解决方法

在实际生产调试过程中，会出现相位噪声变差的现象，现就经常出现故障分析如下：

晶体振荡器相位噪声变差，这种情况下有可能是晶振本身相噪变差，或者晶振接地差造成的晶振相位噪声变差。根据情况返修或保证晶振的接地良好。

锁相环相位噪声变差：这时则需要判断是锁相环本身相噪变差还是锁相环输入电缆不好或连接不好。

L波段倍频单元相位噪声变差，则是倍频器输入功率过大，输出信号过饱和，使倍频器不在工作状态，造成倍频器相位噪声恶化降低倍频器输入功率，在倍频器输入端匹配3dB的π型衰减器。

其它干扰引起的相位噪声变差，例如放大器接地不好等等。

5.结束语

相位噪声作为雷达频综的重要技术指标，其性能好坏直接影响雷达的性能。本文通过分析得出了影响该混合式频综相位噪声的主要因素，并对实际生产调试中该频综系统相位噪声的故障进行了分析，给出了解决方法，对低相位噪声频综的设计与生产有一定的指导意义。

参考文献

[1]白居宪.低噪声频率合成[M].西安：西安交通大学出版社，1995.

[2]高树廷.频率源工程设计与分析[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.