基于雷达使用的Ka波段频率合成器的制作方法

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。

技术实现要素：

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。