【摘要】：FMCW雷達(dá)被廣泛應(yīng)用于近距雷達(dá)探測領(lǐng)域,在現(xiàn)代雷達(dá)中占據(jù)了重要的地位。FMCW頻率源是FMCW雷達(dá)系統(tǒng)中的核心部件,用于產(chǎn)生FMCW信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)和接收鏈路中的本振信號(hào)。本文采用結(jié)合Delta-Sigma調(diào)制器(DSM-Delta-Sigma Modulator)的分?jǐn)?shù)分頻鎖相環(huán)(PLL-Phase Locked Loop)技術(shù),研制了一款低功耗、極細(xì)步進(jìn)、超寬帶、低相位噪聲、低雜散、超高掃頻線性度的C波段FMCW頻率源。本文的主要工作進(jìn)展如下:1.介紹并分析了FMCW頻率源的主要性能參數(shù)對雷達(dá)測距性能的影響。為了得到極高的距離分辨率和速度分辨率,FMCW頻率源的掃頻帶寬和掃頻周期都要足夠高,掃頻線性度也必須越高越好。考慮到實(shí)際應(yīng)用中存在的收發(fā)通道耦合和近場反射干擾問題,頻率源必須具有極低的相位噪聲和雜散干擾以提高雷達(dá)的動(dòng)態(tài)探測范圍。2.闡述了單階DSM和多階DSM的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法,并解釋了DSM的過采樣和噪聲整形特性。理論上采樣頻率越高,DSM階數(shù)越大,DSM的低頻量化噪聲將得到越大的抑制。分析了結(jié)合DSM的PLL(DSM-PLL)的相位噪聲特性,給出了環(huán)路中各項(xiàng)噪聲源的傳播特性。在理論上證實(shí)了DSM-PLL實(shí)現(xiàn)高性能掃頻信號(hào)的可行性。3.結(jié)合DSM-PLL的環(huán)路特性和相關(guān)電子元器件的選型,本文確定了C波段FMCW頻率源的實(shí)現(xiàn)方案。鑒頻鑒相器選用HMC703,其內(nèi)部集成了3階DSM和高速分頻器,具有配置靈活的掃頻功能。環(huán)路濾波器為有源4階形式,壓控振蕩器選用HMC586。4.通過ADIsimPLL軟件設(shè)計(jì)輸出頻率為4.2~7.2 GHz的DSM-PLL電路,從而得到該電路的跳頻特性和相位噪聲;通過Advanced Design System(ADS)建立DSM-PLL的完整電路模型,其電路參數(shù)均對應(yīng)選用的電子元器件,從而得到該電路的線性掃頻特性。仿真結(jié)果表明,當(dāng)DSM-PLL的環(huán)路帶寬為540 kHz,環(huán)路相位裕度為44°時(shí),該電路的跳頻特性、相位噪聲和掃頻線性度均滿足指標(biāo)要求。5.制作并測試了C波段FMCW頻率源,其功耗僅有865 mW,輸出頻率可覆蓋4.2~7.2 GHz,輸出功率為-2~0 dBm;跳頻時(shí)間小于39.8 us,跳頻步進(jìn)僅為13 Hz;相位噪聲優(yōu)于-117 dBc/Hz@10 kHz,-117 dBc/Hz@100 kHz,雜散強(qiáng)度小于-69 dBc。6.提出了一種針對本文的新穎的掃頻線性度測量方法,即分段采樣掃頻信號(hào),分段解調(diào)其瞬時(shí)頻率,最終將各分段解調(diào)結(jié)果拼接為完整掃頻信號(hào)瞬時(shí)頻率,從而得到實(shí)際掃頻信號(hào)的掃頻斜率和掃頻線性度。本文在理論上分析了采得信號(hào)中幅度噪聲對解調(diào)準(zhǔn)確度的影響,通過Weaver鏡像抑制混頻器將掃頻信號(hào)下變頻至窄帶信號(hào),并對該窄帶信號(hào)進(jìn)行帶通濾波再解調(diào),從而有效地抑制了幅度噪聲。測量結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的C波段FMCW頻率源的掃頻斜率為2999.3078 GHz/s,掃頻線性度為4.12?10~(-6)。
【圖文】：

第二章 FMCW 頻率源概述第二章 FMCW 頻率源概述W 頻率源的基本概念 信號(hào)指頻率隨時(shí)間連續(xù)變化的調(diào)頻信號(hào)，一般該頻率是周期性稱為掃頻周期，記為 ；其頻率變化范圍稱為掃頻帶寬，記為號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)，設(shè)定一個(gè)中心頻率作為信號(hào)頻率變化的起點(diǎn)，該地看，假設(shè) FMCW 信號(hào)的頻率在 0 ≤ ≤ 內(nèi)變化，其理想頻=0+ , , , ， )中 , , 是 FMCW 信號(hào)的頻率調(diào)制函數(shù)，，可任意設(shè)定。常用號(hào)和接收信號(hào)的頻率變化曲線圖如圖 2-1 所示，鑒于目前大號(hào)，圖中采用了線性 FMCW 信號(hào)來表示。其中t表示收發(fā)信號(hào)th表示收發(fā)信號(hào)的下掃頻差拍頻率， 表示接收信號(hào)的多普勒

(c)圖 2- 2 FMCW 信號(hào)的常用調(diào)制波形圖，(a) 鋸齒波；(b) 三角波；(c)梯形波2.2 FMCW 頻率源的主要性能參數(shù)（1）掃頻帶寬和掃頻周期在 2.1 節(jié)中，F(xiàn)MCW 信號(hào)源的掃頻帶寬和掃頻周期已經(jīng)得到定義。文獻(xiàn)[9]推導(dǎo)出FWCM 雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨率約為 = 2 ，目標(biāo)的速度分辨率約為 = 2 ，其中 為雷達(dá)波傳播空間內(nèi)的光速， 為發(fā)射信號(hào)的波長。由此可見，為了獲得更高的距離分辨率和速度分辨率，F(xiàn)MCW 頻率源的掃頻帶寬應(yīng)該越大越好，掃頻周期應(yīng)該越長越好。如果采用 PLL 頻率合成技術(shù)，F(xiàn)MCW 信號(hào)源的掃頻帶寬直接由 VCO 的頻率調(diào)諧范圍決定。寬帶 VCO 的實(shí)現(xiàn)難度和成本都很高，而且其調(diào)諧靈敏度隨著調(diào)諧電壓的增大會(huì)發(fā)生較大的變化，進(jìn)而導(dǎo)致 PLL 環(huán)路特性變得不穩(wěn)定。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，寬帶 FMCW 頻率源會(huì)采用 PLL 頻率合成技術(shù)后接倍頻鏈路的混合配置，這樣一來就可以大大減輕 VCO 的設(shè)計(jì)壓力。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN958;TN761

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本文編號(hào)：2611737