微波毫米波雷达频率源关键技术研究

发布时间：2017-04-26 03:12

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【摘要】：随着雷达技术的发展,雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角,而且还包括测量目标的速度,以及从目标回波中获取更多信息,从而进行目标识别。雷达频率源是雷达系统的关键部件。它不仅为雷达接收机提供本振和参考信号,而且为全相参雷达提供发射激励源和系统时钟。它的性能和发展依赖于雷达系统的技术要求,同时频率源的发展又为新体制雷达的研制创造了条件。因此对高性能的频率源进行研究具有十分重要的意义。本论文以雷达系统中的高性能微波毫米波频率源为主要的研究对象,对频率源的关键技术及其应用进行了讨论与研究。主要工作包括:1.对宽带捷变频频率源进行了研究,提出了一种宽带宽、低相噪、低杂散的捷变频频率合成技术方案。该方案采用直接数字频率合成(DDS),锁相环(PLL)与可编程门阵列(FPGA)相结合的方式,解决了DDS工作频率低、跳频带宽窄;锁相环频率合成器中反馈回路影响频率转换时间的问题。基于该方法研制了工作在C波段的宽带捷变频频率源。所设计的频率源工作带宽1.016GHz,最小步进频率8MHz,输出相位噪声优于-102dBc/Hz@10kHz,杂散抑制优于55dBc,任意频率间的转换时间小于0.5μs。2.宽带脉间频率步进雷达,具有收发隔离好、接收机瞬时带宽小和距离分辨率高等优点。本文提出了一种用于全相参脉间频率步进雷达收发前端的频率合成技术方案。该方案充分利用了各种频率合成器和相关器件的优点,对发射激励源和各个相参本振源的频率进行规划,并采用新的阻抗匹配结构来提高杂散抑制特性。基于新结构设计的功分器不仅保证了工作频带内的传输特性,还提高了带外抑制度,降低了滤波器的设计难度。该方案既实现了雷达频率源输出信号间的全相参,又获得了很好的相位噪声、杂散抑制和功率平坦度等性能指标。基于该方案所研制的样品已成功运用于某毫米波雷达系统中。3.对于线性调频脉冲雷达而言,调频线性度决定了雷达的距离分辨率。本文对频率源中影响输出信号线性度的各种参量进行了理论分析。针对叠加在理想线性调频信号相位上的固定相差、正弦调制和高斯噪声三种情况,利用理论分析推导的公式在Matlab中进行了仿真和分析。通过相关分析,理论证明了采用高速控制单元控制DDS逐点输出线性调频信号的可行性。在此分析的基础上提出了一种可以在多种波形间快速切换的线性调频脉冲雷达频率源设计方案。该方案采用DDS+PLL的混合频率合成方式,通过FPGA控制来实现输出信号脉冲宽度0.5至32μs范围内快速可调。实现了单一重复周期内输出频率、脉冲宽度、信号重复周期等参数的快速变换,同时保证了输出信号的高性能指标。4.采用DDS可以实现雷达波形数字化产生,其波形和参数可以在系统中重新配置,使得雷达波形产生方式更加灵活,雷达性能更加优越。但是受技术发展的制约,这些方案无法直接运用于毫米波雷达。本章基于前面章节所研制的微波频率源,对毫米波雷达频率源设计方案进行讨论,提出了一种W波段低相噪雷达频率源设计方案。该方案利用高质量的微波雷达频率源信号,配合毫米波频段倍频和混频器来实现W波段的低相噪、低杂散雷达频率源。最终测试结果表明该方法在相位噪声、杂散抑制以及功率平坦度等方面都达到了满意的性能指标。从理论和工程实践上证明了方案的可行性。
【关键词】：频率合成 捷变频 相参频率源 线性调频
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN958
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 研究背景12-14
• 1.2 国内外研究进展14-17
• 1.3 论文主要研究内容17
• 参考文献17-20
• 第二章 频率源的基本理论20-42
• 2.1 雷达频率源的功能20
• 2.2 基本的频率合成方式20-29
• 2.2.1 直接频率合成技术20-22
• 2.2.2 间接频率合成技术22-24
• 2.2.3 直接数字频率合成技术24-26
• 2.2.4 混合频率合成技术26-29
• 2.3 雷达频率源的主要性能指标分析29-39
• 2.3.1 相位噪声29-33
• 2.3.2 杂散输出33-36
• 2.3.3 频率转换时间36-38
• 2.3.4 频率源输出功率大小与稳定度38
• 2.3.5 其他指标38-39
• 2.4 本章小结39
• 参考文献39-42
• 第三章 宽带步进捷变频频率源技术研究42-70
• 3.1 课题设计指标要求42
• 3.2 系统方案分析42-50
• 3.2.1 频率合成方式分析42-44
• 3.2.2 DDS参考时钟选择44-45
• 3.2.3 频率规划及系统方案设计45-50
• 3.3 方案可行性论证50-52
• 3.3.1 相位噪声估算50-51
• 3.3.2 杂散频谱估算51-52
• 3.3.3 频率转换时间估算52
• 3.4 宽带步进捷变频频率源电路研制52-62
• 3.4.1 DDS倍频模块设计53-57
• 3.4.2 本振电路设计57-60
• 3.4.3 扩频电路模块设计60-62
• 3.5 频率源指标测试与分析62-68
• 3.5.1 频率源实物图62-64
• 3.5.2 频率源测试结果64-68
• 3.6 本章小结68
• 参考文献68-70
• 第四章 全相参脉间频率步进频率源研究70-93
• 4.1 脉间频率步进雷达简介70-73
• 4.1.1 脉间频率步进雷达信号波形70-71
• 4.1.2 脉间频率步进雷达工作原理71-73
• 4.2 全相参脉间频率步进雷达频率源系统方案设计73-81
• 4.2.1 频率源设计指标73-74
• 4.2.2 频率源设计方案74
• 4.2.3 系统相参性分析74-75
• 4.2.4 系统相位噪声分析75-79
• 4.2.5 系统杂散分析79-81
• 4.3 数字单元基准信号电路设计81
• 4.4 相参微波频率源设计81-84
• 4.5 无源电路设计84-87
• 4.6 全相参脉间频率步进频率源测试87-92
• 4.6.1 全相参脉间频率步进频率源实物图87-89
• 4.6.2 测试结果89-92
• 4.7 本章小结92
• 参考文献92-93
• 第五章 线性调频脉冲雷达频率源研究93-113
• 5.1 线性调频脉冲信号基本理论93-97
• 5.1.1 线性调频信号基本概念93-94
• 5.1.2 线性调频雷达工作原理94-96
• 5.1.3 线性调频信号的线性度96-97
• 5.2 频率源扫频非线性影响分析97-99
• 5.3 线性调频信号合成方式99-102
• 5.3.1 VCO直接合成方式99-100
• 5.3.2 PLL间接合成方式100-101
• 5.3.3 DDS直接合成方式101-102
• 5.4 多波形线性调频脉冲频率源设计102-107
• 5.4.1 指标要求102
• 5.4.2 设计方案102
• 5.4.3 线性度分析102-103
• 5.4.4 LFM信号源设计103-106
• 5.4.5 微波本振源设计106
• 5.4.6 波形控制电路设计106-107
• 5.5 频率源测试结果与分析107-111
• 5.5.1 频率源实物图107-108
• 5.5.2 频率源测试结果108-111
• 5.6 本章小结111
• 参考文献111-113
• 第六章 W波段雷达频率合成技术方案研究113-119
• 6.1 W波段雷达频率源方案提出113-114
• 6.2 W波段上变频模块设计114-115
• 6.2.1 W波段四倍频器114
• 6.2.2 W波段混频器114-115
• 6.2.3 W波段滤波器115
• 6.2.4 W波段放大器115
• 6.3 W波段雷达频率源测试结果115-118
• 6.4 本章小结118
• 参考文献118-119
• 第七章 结论119-121
• 7.1 本文的主要贡献119-120
• 7.2 下一步工作的展望120-121
• 致谢121-123
• 攻博期间取得的研究成果123-124

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本文编号：327628