一种相位一致的微波多通道及其控制方法与流程

本发明涉及电气元件，具体涉及一种相位一致的微波多通道及其控制方法。

背景技术：

1、越来越多的雷达使用超宽带射频前端组成天线阵面，采用数字波束形成方法进行天线阵面指向的扫描，以及波束赋形来适应不同的作战需求。但是数字波束形成性能受到阵面同步的影响，可能是制约其发展的一个关键因素。时钟同步是超宽带数字相控阵雷达急需重视的一个部分，只有解决大规模超宽带数字射频前端同步工作的难题，才能实现波束形成。

2、在相控阵系统中，要求多个通道间相位一致性低于8°，以保证相位叠加的高效性，实现低功耗、高稳定度、高可靠系统。通道中除了固定电路模块外，影响通道相位的最大因素是本振相位，本振相位一致性是解决通道相位一致性的突破口。

3、传统的本振实现方法是共本振，即整个系统只有一个本振，通过放大、分路、放大、分路的电路网络，给不同通道提供本振。该方法存在电路网络庞大，尤其对于成千上万的相控阵系统，分路网络稳健性差，相互依赖性强，对于大型相控阵系统来说是一个很棘手的问题。

4、因此，研究系统简单、稳定可靠、通道间相互独立的本振实现方法，既能保障系统性能，又能降低系统复杂度，具有非常重要的意义。

技术实现思路

1、本发明是为了解决目前数字相控阵系统中时钟分发系统庞大的问题，提供一种相位一致的微波多通道及其控制方法，本发明使得时钟同步能保证在±4°以内，从而降低了系统时钟分发系统的复杂度，降低系统功耗。该系统结构简单，稳定性高，应用便捷。

2、本发明提供一种相位一致的微波多通道，包括时钟分发系统、与时钟分发系统输出端口分别相连的至少两个锁相环电路和与锁相环电路输出端相连的混频器；

3、时钟分发系统将参考时钟分路后得到m路参考信号fref并分别输出到每个锁相环电路的输入端口，锁相环电路为整数分频锁相环，锁相环电路将参考信号fref与分频后信号fdiv进行鉴频鉴相并输出m路时钟信号作为m路本振信号分别进入m路混频器，混频器接收微波通道输出的一路射频信号并与一路本振信号混频后输出中频信号；

4、时钟分发系统的输出端口、锁相环电路、混频器、时钟信号、射频信号和中频信号的数量均为m，m≥2；

5、锁相环电路包括依次连接的鉴频鉴相电路、环路滤波器、振荡器和与振荡器输出端相连的分频器，时钟分发系统的输出端口、分频器的输出端口均与鉴频鉴相电路输入端口相连，分频器为n分频，n为正整数；

6、时钟分发系统输出端与m个鉴频鉴相电路输入端连接路径的长度均相同。

7、本发明所述的一种相位一致的微波多通道，作为优选方式，m个参考信号fref同频同相，m个本振信号同频同相，m个中频信号同频同相。

8、本发明所述的一种相位一致的微波多通道，作为优选方式，各个锁相环电路均为独立的集成电路，时钟分发系统输出端与m个鉴频鉴相电路输入端连接路径长度的公差小于2mm。

9、本发明所述的一种相位一致的微波多通道，作为优选方式，各本振信号的传输路径长度差小于时钟信号周期的1/18。

10、本发明所述的一种相位一致的微波多通道，作为优选方式，还包括与鉴频鉴相电路的差拍信号up输出端、差拍信号dn输出端均相连的时延电路，鉴频鉴相电路为电荷泵鉴频鉴相电路，时延电路的输出端与鉴频鉴相电路的复位端相连，时延电路将差拍信号up、差拍信号dn的脉冲宽度增大；

11、时延电路包括串联在输入端in1、in2和输出端out之间的放大器amp1、放大器amp2、放大器amp3，连接在放大器amp1、放大器amp2之间且另一端接地的电容c1，连接在放大器amp2、放大器amp3之间且另一端接地的电容c2，连接在放大器amp3、输出端之间且另一端接地的电容c3，输入端in1、in2为差拍信号up输出端、差拍信号dn输出端，输出端out为鉴频鉴相电路的复位端；

12、时延电路的时延tdelay与负载电容成反比。

13、本发明提供一种相位一致的微波多通道控制方法，包括以下步骤：

14、s1、时钟分发系统将一个参考时钟分为m路参考信号fref并分别输出至m个锁相环电路射频前端的时钟接口，m路参考信号fref的路径长度均相同以使m路参考信号fref同频同相；

15、s2、锁相环电路中的鉴频鉴相电路将参考信号fref与分频器输出的输出信号进行鉴频鉴相并产生差拍信号up和差拍信号dn，再经过环路滤波器产生调谐电压vt，振荡器在调谐电压vt的激励下分别向分频器和混频器输出时钟信号；

16、s3、时钟信号返回分频器进行整数分频得到分频后信号fdiv，鉴频鉴相电路将参考信号fref与分频后信号fdiv进行鉴频鉴相并产生差拍信号up和差拍信号dn，当参考信号fref与分频后信号fdiv同频同相时，锁相环电路处于稳定状态；

17、s4、m路时钟信号作为m路本振信号分别输出至m个混频器后与信道输出的m路射频信号分别混频得到m路中频信号，一种相位一致的微波多通道及其控制方法完成。

18、本发明所述的一种相位一致的微波多通道控制方法，作为优选方式，步骤s2、s3中，参考信号fref的频率等于鉴相频率。

19、本发明所述的一种相位一致的微波多通道控制方法，作为优选方式，步骤s3中，分频器为n分频，n为正整数。

20、本发明所述的一种相位一致的微波多通道控制方法，作为优选方式，m为4，n为125。

21、本发明所述的一种相位一致的微波多通道控制方法，作为优选方式，步骤s2、s3中，差拍信号up和差拍信号dn通过时延电路进行时延后返回鉴频鉴相电路的启动端口；

22、时延电路通过放大器和电容负载进行时延，通过调整电容值和/或者电容数量调整时延，时延电路的时延为tdelay，0.5ns≤tdelay＜tref/20，tref为参考信号fref的周期；

23、当参考信号fref和分频后信号fdiv同频同相时，差拍信号up、差拍信号dn的脉冲宽度等于鉴频鉴相电路的电荷泵电路打开时间t；

24、即使在参考信号fref和分频后信号fdiv的相位差＜1.8度时，时延电路将差拍信号up、差拍信号dn的脉冲增大后也可以启动锁相环电路的动态锁定，实现参考信号fref和分频后信号fdiv的同频同相，进而实现m路本振信号的同频同相以及微波多通道间的同频同相。

25、本发明使用共参考模式实现多通道本振。

26、本发明具有以下优点：

27、(1)本发明通过采用共参考产生本振信号的方法，代替传统实现方法中的本振网络，实现通道间相位一致性，降低系统复杂性，应用便捷。

28、(2)本发明通过设计电荷泵型锁相环，参考信号频率即为鉴相频率，并且采用整数分频锁相环，实现多个本振相位一致性±4°以内，多次上电验证该方法产生的本振信号相位的一致性。

29、(3)本发明中锁相环锁定信号直接进入混频器进行混频，产生本振信号，可以实现通道间相位一致性在8°以内，满足系统对相位一致性的要求。

30、(4)锁相环电路中，电荷泵开关打开时间为t，当参考信号和分频信号的相位差很小，差拍信号的脉冲宽度小于t时，锁相环的动态锁定不启动，导致参考信号和分频信号存在一个随机相位差；本发明通过加入时延电路把差拍信号的脉冲增大，可以保证在参考信号和分频信号有相位差时，即使相位差小于1.8度，也可以启动锁相环的动态锁定，实现同频同相。

31、(5)本发明的电路实现方法，对于射频信道芯片化后，与系统集成在一个电路内部，实现一体化设计，简化系统设计，耗费面积小，成本低廉，易于集成，易于实现；

32、(6)本发明可以作为一个ip电路，能适应各种应用系统，应用到各种系统中，零调试，适应于批量生产；

33、(7)本发明可以被其他对通道相位一致性要求高的系统采纳，机理相同，应用范围很广。