一种带宽可拓展高可靠高隔离高速切换集成频综设计方法与流程

1.本发明涉及相控阵雷达技术领域。


背景技术：

2.相控阵雷达往往需求执行多种不同的功能和任务，在执行不同的功能任务时，由于工作机理不同、设备使用方式不同、功能特点和性能参数也不相同，雷达多功能性能往往需要通过对工作频率、波形、时序等的控制来实现。在相控阵雷达设计中这些一般是由集成频综来完成的，因此现代先进的多功能相控阵雷达对集成频综的设计提出了更高的要求。早期集成频综的设计方法有：第一种是用dds产生的中频信号和谐波发生器产生的信号进行二次变频，经放大滤波后产生所需本振信号(如低杂散低相噪频率综合器，参见cn108736889a专利号)、第二种是用单个锁相源直接输出所需的本振信号，(如一种用于小型化odu接收通道的本振电路，参见cn208479597u专利号)。第一种设计方法，解决了低杂散、低相噪的问题，实现了易于频段扩展、频点切换速度快的功能，但设计方案中既有dds信号产生电路，又有谐波发生器，集成度不高；电路复杂，却没有冗余设计，可靠性不高；而且方案中没有功率放大模块，功率设计值不够。第二种设计方法，解决了集成度不高的问题，实现了小型化和高集成度，但同样没有冗余设计，可靠性不高，且只能根据单片机控制鉴相器来实现跳频，频点切换速度慢。


技术实现要素：

3.为解决大功率信号电路重启时间过长、主辅路切换时隔离度不够、本振信号带宽有限的问题，本发明提出了一种带宽可拓展高可靠高隔离高速切换集成频综的设计方法。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.采用多频率变换模式锁相源电路设计的方法进行带宽可拓展设计、双冗余设计方法进行高可靠设计、高隔离设计、采用反馈电路控制电子开关组合的方法进行高速切换设计、采用电路共用集成设计方法进行高集成设计。
6.进一步的，所述带宽可拓展设计包括：通过可堆砌化电路设计，采用在传统锁相产生电路基础上增加多路开关矩阵及多路自适应分频模式的软硬件设计，进行本振带宽的自适应扩展设计。
7.进一步的，所述高可靠设计方法包括：采用时钟切换和电源调制控制双重叠加作用的双控模式电路设计，同时结合二极管、三极管物理特性，对电路进行抗干扰电压的保护性设计。
8.进一步的，所述高隔离设计方法包括：通过高隔离度电子开关和电源调制信号的结合使用，采用射频信号切换和电源分时加电技术同时作用，对主辅两个通道之间进行高隔离度设计。
9.进一步的，所述高速切换设计方法包括：采用反馈控制电路控制下的锁相源和功率放大模块热备份技术，进行电路极速响应设计；采用传统锁相源结合矩阵开关的软硬件
切换技术，进行捷变频设计。
10.进一步的，所述高集成设计方法包括：采用3d堆叠集成设计的锁相源电路设计方法，减少多频率变换模式锁相源电路设计所用的元器件数量，进行电路高集成度设计。
11.本发明的有益效果如下：
12.多频率变换模式锁相源电路设计采用电路共用集成设计，减少整个设计所用元器件数量，提高集成度；采用的锁相源为高鉴相锁相源，输出信号的相位噪声很低，采用的分频方式会改善信号杂散及相位噪声，有利于实现低相噪、低杂散设计；所采用的电子开关切换速度快，使得频率切换时间和冗余电路切换时间可提升至纳秒级，避免了单个锁相源跳频速度慢的缺陷，将频点切换时间功能由微秒级提升至纳秒级，提升了至少90％；采用的主辅路冗余设计，当主路电路锁相源失锁或者功率异常再或者功率放大模块工作异常时，可关断主路功率放大模块的供电以及主路锁相源的时钟信号输入，转而启动辅路电路，整个切换时间也为纳秒级，且时钟切换和电源调制信号的双控模式可以显著提升隔离度；多路锁相源、多路电子开关矩阵、多路混频器的堆砌使用，可以根据需要决定分频次数以及混频器数量，实现带宽的自适应拓展；通过调整多频率变换模式锁相源电路和功率放大模块之间的增益起伏及阻抗匹配，完成宽带本振信号的大功率均衡输出。
附图说明
13.图1是一种带宽可拓展高可靠高隔离高速切换集成频综的双冗余电路原理框图，其中1是时钟源、2是开关一、3是多频率变换模式锁相源电路a1、4是功率放大模块a2、5是电源控制电路、6是多频率变换模式锁相源电路b1、7是功率放大模块b2、8是开关二；
14.图2是一种带宽可拓展高可靠高隔离高速切换集成频综中的多频率变换模式锁相源电路设计的原理框图，其中f是外部输入中频信号，i是最终所需的本振信号、9是多路锁相源、10是多路分频电路、11是多路开关矩阵、12是多路开关矩阵、13是多路混频器；
15.图3是多频率变换模式锁相源电路设计原理框图，j和k为参考时钟、14是锁相源u1、15是锁相源u2、16是混频器1，框内的1～3分别指混频器1的三个端口、17是单刀四掷开关、18是混频器2，框内的1～3分别指混频器2的第一到第三端口、19是混频器3，框内的1～3分别指混频器3的第一到第三端口、20是混频器4，框内的1～3分别指混频器4的第一到第三端口；
16.图4是基于多频率变换模式锁相源的高功率本振电路设计的双冗余电路设计原理框图，n是电源调制信号、p是最终输出的本振信号、23是三极管，b是三极管的基极，c是集电极，e是发射极、21是反馈检测电路、22是二极管、24～26分别是开关一到开关三，框内的1～3分别是开关的第一到第三端口；
17.图5是多频率变换模式锁相源电路设计实例框图；
18.图6是双冗余工作电路设计实例框图，27～29均是电子开关hmc349，框内1～3分别是hmc349的第一到第三端口、30是三极管mmbt2369，b是三极管的基极，c是集电极，e是发射极。
具体实施方式
19.本发明提出了一种带宽可拓展高可靠高隔离高速切换集成频综设计方法，主要包
括双冗余电路设计和多频率变换模式锁相源电路设计。
20.如图1所示：一种带宽可拓展高可靠高隔离高速切换集成频综，通过设计一种双冗余电路来实现高可靠、高隔离、大功率、高速切换、高集成。双冗余电路包括一个时钟源、两个电子开关、两个多频率变换模式锁相源电路、两个功率放大模块、一个电源控制电路；其中多频率变换模式锁相源电路又由多路锁相源、多路分频、多路电子开关矩阵、多路混频器等构成。时钟源、两个电子开关、电源控制电路为公用部分；两个多频率变换模式锁相源电路、两个功率放大模块分布于主辅路通道中，通过切换提供给锁相源的时钟信号以及提供给功率放大模块的电源调制信号来实现主辅路切换。
21.如图1、图2所示：在上述的双冗余电路设计中，作为重要一环的多频率变换模式锁相源电路又由多路锁相源、多路分频、多路电子开关矩阵、多路混频器等构成。其通过多路锁相源分频后得到的信号，经多路电子开关矩阵选通后进入多路混频器进行混频，可根据需要决定分频次数以及混频器数量，从而实现带宽的自适应拓展。
22.本发明的设计原理如下：
23.一种带宽可拓展高可靠高隔离高速切换集成频综的双冗余工作电路设计原理如图1所示，包括一个时钟源1、一个开关一2、一个多频率变换模式锁相源电路a13、一个功率放大模块a24、一个开关二8、一个电源控制电路5、一个多频率变换模式锁相源电路b16、一个功率放大模块b27。
24.双冗余工作电路设计工作流程如图4：正常状态下，默认多频率变换模式锁相源电路a1和功率放大模块a2工作，此时开关一的第一端口打开，第三端口关闭，时钟源产生的时钟信号传输至多频率变换模式锁相源电路a1，反馈检测电路21检测到最终输出的本振信号p功率正常后，输出低电平信号至三极管23的基极b，此时集电极c和发射极e不导通，传输至功率放大模块的电源调制信号n的电压值完全由发射控制信号决定；当多频率变换模式锁相源电路a1或功率放大模块a2出现故障时，反馈检测电路21检测到最终输出的本振信号p功率不正常后，先输出高电平信号至三极管23的基极b，此时集电极c和发射极e导通，由于发射极接地，此时电源调制信号电压值为0，将功率放大模块a2的输出关断。反馈检测电路21在将开关三的第一端口关闭，第三端口打开后，再次输出低电平信号至开关管20的基极b，此时电源调制信号成功传输至功率放大模块b2，最后将开关一的第一端口关闭，第三端口打开，将时钟信号传输至多频率变换模式锁相源电路b1，完成整个冗余电路的切换过程。在上述切换过程中，整个电路器件的供电一直保持，节约了器件的重启时间，起到了热备份的效果，通过电子开关以及开关管的控制实现大功率电路的纳秒级切换。
25.多频率变换模式锁相源电路设计原理如图2所示，包括多路锁相源9、多路分频电路10、多路开关矩阵11、多路开关矩阵12、多路混频器13组成。
26.多频率变换模式锁相源电路工作流程如图3：选定锁相源u114、锁相源u215，参考时钟分别进入两个锁相源电路，得到三路相同的频率f1～f3和四路相同的频率m1～m4，两种频率相差600mhz。f2和f3分别经6分频和7分频后得到f4、f5，第三路f1进混频器1的第一端口；m1～m2分别经8分频和5分频后得到m5、m6，第三路m3进混频器4的第一端口，第四路m4经15分频后得到m7，m7进入混频器1的第二端口。所得的f5＝m2 300mhz，f4＝m2 600mhz，m6＝m2 900mhz，故实质上经单刀四掷开关17选择后可得到间隔为300mhz的四个分时单频点信号，这四个分时单频点信号进入混频器4的第二端口。进入混频器1的m7和f1经混频后得到信号
g0，再经四分频后得到信号g1。进入混频器2的g1和中频信号if
±
150mhz混频后得到g2±
150mhz。进入混频器4的m3和经单刀四掷开关17选择后得到的四个分时单频点信号分别混频后得到带宽900mhz的本振信lo/lo 300mhz/lo 600mhz/lo 900mhz。最终本振信号和g2
±
150mhz进入混频器3，混频后得到本振信号。
27.本发明设计方法如下：
28.带宽可拓展设计方法：通过多路锁相源分频后得到的信号，经多路电子开关矩阵选通后进入多路混频器进行混频，可根据需要决定分频次数以及混频器数量，从而实现带宽的自适应拓展。
29.高可靠设计方法：采用主辅通道的双冗余电路设计，正常状态下工作在主路，当主路的大功率输出信号功率异常或者锁相源的锁定指示报警时，即切换至辅路工作，可以同时监测电路中的功率放大模块和锁相源的工作状态，提升电路可靠性，同时巧妙利用二极管、三极管的特性，提高了对干扰电压的抗干扰能力，提升了双冗余电路的电磁兼容能力。
30.高隔离设计方法：双冗余电路的切换过程中用电子开关来控制两个锁相源间的时钟切换，同时通过电源控制电路产生的调制信号来实现两路功率放大模块的电源开关切换，当其中一路功率放大模块工作时，另一路不加电，这样不仅有电子开关本身的隔离度，还有因分时加电带来的隔离强度的提升。
31.高速切换设计方法：高速切换包含两层意思，既指冗余电路间的切换时间，又指不同频点的切换时间。在冗余电路的切换过程中，锁相源和功率放大模块保持热备份状态，省却了电路重启的时间，切换时间完全由两侧的电子开关以及电源控制电路中的数字芯片和开关管决定，从而实现大功率输出冗余电路间的纳秒级切换。在多频率变换模式锁相源电路的设计中，进入混频器参与混频并最终输出本振信号的中频信号由电子开关进行选择输出，所以频点的切换时间也完全由电子开关自身的切换速率决定。
32.高集成设计：多频率变换模式锁相源电路设计采用电路共用、3d模块堆叠集成设计，减少了整个设计所用元器件的数量，提高集成度。
33.如图5、图6所示，以工作在x波段的频综为例，设计一种输出频率范围为1.2ghz的带宽可拓展高可靠高隔离高速切换集成频综。
34.采用本发明进行设计，步骤如下：
35.第一步：如图5所示，根据上述的设计方法进行多频率变换模式锁相源电路设计，实现带宽可拓展设计、频点高速切换、高集成设计。选定高鉴相锁相源a输出12ghz、高鉴相锁相源b输出12.6ghz，参考时钟300mhz分别进入两个锁相源电路，锁相源a输出12ghz信号后，功分四路后其中两路分别经过6分频和7分频，得到2.1ghz和1.8ghz的信号；锁相源b输出12.6ghz信号后，功分三路后其中两路分别经过8分频和5分频，得到1.5ghz和2.4ghz的信号；1.5ghz、1.8ghz、2.1ghz、2.4ghz这四路信号经单刀四掷开关bw1026d选通，分别和第三路12ghz进入混频器1混频后得到13.5ghz、13.8ghz、14.1ghz、14.4ghz这四个分时单频点信号。第四路12ghz信号经过15分频得到800mhz和第三路12.6ghz进入混频器2混频得到13.4ghz。此13.4ghz的信号经4分频后得到3.35ghz，和中频0.5～0.8ghz信号一起进入混频器3得到2.55～2.85ghz，最终2.55～2.85ghz和上述的13.5ghz、13.8ghz、14.1ghz、14.4ghz进入混频器4，混频后得到10.65～11.85ghz的本振信号，成功将带宽300mhz的中频信号拓宽至所需的1.2ghz带宽本振信号。单刀四掷开关bw1026d的切换时间可达20纳秒，使得频点
切换时间可达纳秒级。
36.第二步：根据上述的设计方法进行双冗余电路设计，实现高可靠、高隔离、大功率、高速切换设计。如图6所示，以上述工作在x波段的多频率变换模式锁相源电路为基本模块，设计一种锁相源和功率放大模块双备份的冗余电路。功率放大模块选择nc31107m-3135p5，输出功率可达37dbm，反馈检测电路中的主要功能通过arm芯片tm4c1294ncpdt和检波芯片来实现，三极管采用mmbt2369型号，二极管采用sk20型号，开关选择用hmc349lp4c型号。三极管mmbt2369的基极和发射极之间的电压差vbe＝vb-ve，因电路中ve为0，则vbe完全由vb决定。当arm输出的控制信号为正时，发射结和集电结均处于正向偏置的区域，此时信号n为0；当arm输出的控制信号为0时，发射结上的偏置电压小于pn结的开启电压，此时信号n即为ttl信号的电压减去经过r101上的压降后的电压。如果arm输出的控制信号上有干扰电压，由于二极管本身的压降就在0.7v，再加上由于器件特性，要想使集电极和发射极导通，基极和发射极之间的压差至少也要0.7v，那此干扰电压至少要1.4v以上才会起作用，从而提高了电路的可靠性，有效地保护了电路。
37.正常工作时，锁相源a电路产生的10.65～11.85ghz经nc31107m-3135p5功率放大模块后输出，一部分输出功率经耦合器进功率检测电路检波，并将值反馈至arm芯片；同时锁相源的锁定指示状态信号传输至arm芯片，当两组值均正常时，三个hmc349lp4c均保持在端口一处，此时时钟信号传输至锁相源a电路，电源调制信号提供给功率放大模块a。当功率检测电路检测到功率值低于阈值，或者arm芯片检测不到锁相源a的锁定指示信号时，三个hmc349lp4c将端口一关断，将端口三打开，此时时钟信号传输至锁相源b电路，电源调制信号提供给功率放大模块b。开关hmc349来控制两个锁相源间的时钟切换，本身的隔离度可达到60db；通过信号n来实现两路功率放大模块的电源开关切换，当nc31107m-3135p5 a工作时，nc31107m-3135p5 b不加电，这样不仅有电子开关本身的隔离度，还有因分时加电带来的隔离强度的提升，进一步提高了电路的隔离度。同时因为hmc349的切换速率可达50ns，实现了冗余电路的纳秒级切换。
38.通过上述的设计步骤和方法，成功设计出输出频率范围为1.2ghz的带宽可拓展高可靠高隔离高速切换集成频综。和常规设计方法相比，频点切换时间由微秒级提升至纳秒级，提升了至少90％，隔离度提升了至少50％，本振信号输出功率可达5w，验证并满足了本发明带宽可拓展、高可靠、高隔离、高速切换的要求。