基于Sigma-Delta调制器的超宽带锁相微波频率源研究

发布时间：2020-04-02 08:57

【摘要】：FMCW雷达被广泛应用于近距雷达探测领域,在现代雷达中占据了重要的地位。FMCW频率源是FMCW雷达系统中的核心部件,用于产生FMCW信号作为发射信号和接收链路中的本振信号。本文采用结合Delta-Sigma调制器(DSM-Delta-Sigma Modulator)的分数分频锁相环(PLL-Phase Locked Loop)技术,研制了一款低功耗、极细步进、超宽带、低相位噪声、低杂散、超高扫频线性度的C波段FMCW频率源。本文的主要工作进展如下:1.介绍并分析了FMCW频率源的主要性能参数对雷达测距性能的影响。为了得到极高的距离分辨率和速度分辨率,FMCW频率源的扫频带宽和扫频周期都要足够高,扫频线性度也必须越高越好。考虑到实际应用中存在的收发通道耦合和近场反射干扰问题,频率源必须具有极低的相位噪声和杂散干扰以提高雷达的动态探测范围。2.阐述了单阶DSM和多阶DSM的基本原理和实现方法,并解释了DSM的过采样和噪声整形特性。理论上采样频率越高,DSM阶数越大,DSM的低频量化噪声将得到越大的抑制。分析了结合DSM的PLL(DSM-PLL)的相位噪声特性,给出了环路中各项噪声源的传播特性。在理论上证实了DSM-PLL实现高性能扫频信号的可行性。3.结合DSM-PLL的环路特性和相关电子元器件的选型,本文确定了C波段FMCW频率源的实现方案。鉴频鉴相器选用HMC703,其内部集成了3阶DSM和高速分频器,具有配置灵活的扫频功能。环路滤波器为有源4阶形式,压控振荡器选用HMC586。4.通过ADIsimPLL软件设计输出频率为4.2~7.2 GHz的DSM-PLL电路,从而得到该电路的跳频特性和相位噪声;通过Advanced Design System(ADS)建立DSM-PLL的完整电路模型,其电路参数均对应选用的电子元器件,从而得到该电路的线性扫频特性。仿真结果表明,当DSM-PLL的环路带宽为540 kHz,环路相位裕度为44°时,该电路的跳频特性、相位噪声和扫频线性度均满足指标要求。5.制作并测试了C波段FMCW频率源,其功耗仅有865 mW,输出频率可覆盖4.2~7.2 GHz,输出功率为-2~0 dBm;跳频时间小于39.8 us,跳频步进仅为13 Hz;相位噪声优于-117 dBc/Hz@10 kHz,-117 dBc/Hz@100 kHz,杂散强度小于-69 dBc。6.提出了一种针对本文的新颖的扫频线性度测量方法,即分段采样扫频信号,分段解调其瞬时频率,最终将各分段解调结果拼接为完整扫频信号瞬时频率,从而得到实际扫频信号的扫频斜率和扫频线性度。本文在理论上分析了采得信号中幅度噪声对解调准确度的影响,通过Weaver镜像抑制混频器将扫频信号下变频至窄带信号,并对该窄带信号进行带通滤波再解调,从而有效地抑制了幅度噪声。测量结果表明,本文设计的C波段FMCW频率源的扫频斜率为2999.3078 GHz/s,扫频线性度为4.12?10~(-6)。
【图文】：

频率变化曲线,频率变化曲线,线性,频率源

第二章 FMCW 频率源概述第二章 FMCW 频率源概述W 频率源的基本概念信号指频率随时间连续变化的调频信号，一般该频率是周期性称为扫频周期，记为；其频率变化范围称为扫频带宽，记为号的数学表达，设定一个中心频率作为信号频率变化的起点，该地看，假设 FMCW 信号的频率在 0 ≤ ≤ 内变化，其理想频=0+ , , , ， )中 , , 是 FMCW 信号的频率调制函数，，可任意设定。常用号和接收信号的频率变化曲线图如图 2-1 所示，鉴于目前大号，图中采用了线性 FMCW 信号来表示。其中t表示收发信号th表示收发信号的下扫频差拍频率，表示接收信号的多普勒

调制波形,调制波形,梯形波,锯齿波

(c)图 2- 2 FMCW 信号的常用调制波形图，(a) 锯齿波；(b) 三角波；(c)梯形波2.2 FMCW 频率源的主要性能参数（1）扫频带宽和扫频周期在 2.1 节中，FMCW 信号源的扫频带宽和扫频周期已经得到定义。文献[9]推导出FWCM 雷达系统的距离分辨率约为 = 2 ，目标的速度分辨率约为 = 2 ，其中为雷达波传播空间内的光速，为发射信号的波长。由此可见，为了获得更高的距离分辨率和速度分辨率，FMCW 频率源的扫频带宽应该越大越好，扫频周期应该越长越好。如果采用 PLL 频率合成技术，FMCW 信号源的扫频带宽直接由 VCO 的频率调谐范围决定。宽带 VCO 的实现难度和成本都很高，而且其调谐灵敏度随着调谐电压的增大会发生较大的变化，进而导致 PLL 环路特性变得不稳定。因此在实际工程应用中，宽带 FMCW 频率源会采用 PLL 频率合成技术后接倍频链路的混合配置，这样一来就可以大大减轻 VCO 的设计压力。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN958;TN761

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