低相噪Ka波段射频收发前端研制

论文摘要

对于射频收发前端的设计,频率合成器是其中非常重要的一部分,它是现代雷达、通信等电子设备中是决定其性能的关键部件,可以称作是电子系统的“心脏”。随着现在电子技术的进步,系统对频率合成器的精度、频率分辨率、转换时间和频谱纯度等指标提出了越来越高的要求。当前,采用直接数字频率合成（DDFS）技术来产生一定频率信号已经得到了广泛应用,但受其输出频率不高的限制,毫米波频段信号必须通过频综技术变频得到。各种频率合成方式都是基于考虑频率范围、频率步进、频谱纯度、变频时间等主要技术指标来设计的。本文首先介绍了常用频率合成器的主要实现方式,包括直接频率合成、间接频率合成（即锁相环合成技术）、直接数字合成（Direct Digital Synthesis, DDS）以及混合式结构。从相位噪声和杂散等角度分析了这些频率合成方案的优缺点。由于本项目要求在多个频段都有输出要求,为了实现系统的简单实用,我们研究了在级联系统中频率合成器的锁相环（Phase Locked Loop, PLL）、混频器、分频器和倍频器等关键部件产生杂散的原因与抑制方式,以及系统相位噪声模型。通过这些理论分析,我们证实了项目指标要求的可实现性。为了保证不同功能模块之间的隔离性,要求我们在电磁屏蔽方面有充分的考虑,合理设计电路和腔体。本文论述的频综器应用于一种8毫米频段全相参雷达的射频收发前端。其中频综器的输出频率主要包括:S/C波段本振信号、S/C波段发射信号、毫米波本振信号以及毫米波发射信号。本设计充分利用了直接数字频率合成（DDS）,锁相环（PLL）,FPGA等各自的性能特点,既降低了各级变频本振和脉宽可变LFM信号的实现难度,又在频谱纯度（相噪和杂散水平）与变频时间等关键技术指标上得到了较高的综合表现。LFM信号由DDS在较低的频率（80MHz）产生,然后,通过三次上变频至8mm频段作为毫米波发射信号,接收端,对8mm接收信号做二次下变频为80MHz中频信号供基带处理。各级变频本振通过倍频器和锁相环提供。测试结果表明:在S/C波段的PLL本振源步进为10MHz,带宽500MHz时,发射端杂散电平小于-65dBc ,接收端杂散小于-65dBc ,相噪水平均优于-85dBC/Hz@1KHz,系统最大变频时间小于15us,满足了该项目中射频收发前端的各项指标要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.1.1 相参雷达简介
• 1.1.2 射频前端在雷达系统中的意义
• 1.2 频率合成技术的应用及发展状况
• 1.3 本文的内容安排
• 第二章 射频前端的结构及其频综器参数分析
• 2.1 射频前端总体结构介绍
• 2.2 噪声分析的必要性
• 2.3 相位噪声分析
• 2.3.1 相位噪声的数学分析
• 2.3.2 相位噪声的性质
• 2.4 杂散分析
• 2.5 锁相环（PLL）特性分析
• 2.5.1 鉴相器（PD）
• 2.5.2 环路滤波器（LF）
• 2.5.3 压控振荡器（VCO）
• 2.5.4 锁相环路的相位模型和基本方程
• 2.5.5 环路的稳定性
• 2.5.6 环路的相位噪声
• 2.5.7 PLL 的杂散性能分析
• 2.6 直接数字频率合成（DDS）性能分析
• 2.6.1 DDS 的基本原理
• 2.6.2 DDS 的主要特点
• 2.6.3 DDS 的杂散性能分析
• 2.7 分频器分析
• 2.8 变频器（混频器）分析
• 2.8.1 变频器的技术指标
• 2.8.2 变频器的杂散分析
• 第三章 频率合成器的典型方案研究
• 3.1 非相干频率合成
• 3.2 直接相干合成
• 3.2.1 强制合成法
• 3.2.2 谐波法
• 3.2.3 混频法
• 3.3 间接相干合成
• 3.3.1 整数分频锁相环频率合成
• 3.3.2 分数分频锁相环
• 3.4 混合式频率合成
• 3.4.1 PLL+倍频合成方式
• 3.4.2 PLL+混频合成方式
• 3.4.3 PLL+DDS 合成方式
• 3.5 电磁兼容方面的考虑
• 第四章 系统设计
• 4.1 项目背景
• 4.2 系统主要指标要求
• 4.3 系统方案设计
• 4.4 具体单元电路设计与器件的选择
• 4.4.1 线性调频（LFM）信号的产生
• 4.4.2 五倍频的实现
• 4.4.3 S/C 波段锁相本振源的实现
• 4.4.4 9.*GHz 点频的实现
• 4.4.5 电源的设计
• 4.5 控制电路的设计
• 4.6 PCB 设计
• 第五章 测试结果分析和总结
• 5.1 系统联调
• 5.2 LFM 信号测试结果
• 5.3 五倍频单元测试结果
• 5.4 C 源信号测试结果
• 5.5 9.*GHz 点频测试结果
• 5.6 项目总结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果