高伟亮，刘朝军，邵晓芳

(海军航空工程学院青岛分院，山东青岛 266041)

0 引 言

非线性有源天线阵将多个固态振荡器组成一维或二维阵列，它不用移相器而是利用非线性动力学理论，应用注频锁相技术和互注频锁相技术，形成相对相移和天线阵面特定的相位分布从而实现天线阵的波束形成和扫描。这种天线阵具有很多优点，如:低功耗、体积小、重量轻、成本低和容易实现数字化等［1～7］。

基于注频锁相振荡器阵列的非线性有源天线阵发射波束形成系统要求各通道发射相干信号，即频率严格一致，并有严格的相位关系，这样信号才能在空间产生一定形状的波束。实际系统中由于相位噪声的影响破坏了各路发射信号间严格一致的相位关系，使天线阵波束指向不准、副瓣电平增加、主瓣变宽、波束畸变和零点指向不准等。同样，在接收系统中，将注频锁相振荡器阵列耦合出一部分信号作为本振信号，如果本振信号的相噪差，则混频后的中频信号就容易被干扰信号所淹没，即使中频滤波器能够滤除强干扰中频信号，强干扰中频信号的噪声边带仍然可能淹没有用信号，使接收机无法接收到弱小信号。因此，要将注频锁相振荡器阵列应用到高性能的雷达和通信系统中必须降低阵列输出信号的相位噪声。

相位噪声是频率域的概念，它是衡量信号频谱纯度的重要指标。在军事上，将毫米波振荡源应用于雷达或通信系统中，通常要求在频率偏移为10 kHz 条件下有优于－110 dBc/Hz 的相位噪声［8］。

1 注频锁相振荡器阵列的拓扑结构

注频锁相振荡器阵列的拓扑结构如图1 所示。

图1 基于注频锁相振荡器阵列的拓扑结构

阵列中的每一个单元都是一个独立的且结构参数相同的压控振荡器，产生的发射信号可以直接馈给天线单元，或利用功率放大器放大后再供给天线单元。由于各振荡器单元的注入信号是由共同的馈电网络将同一信号功分得到的，并由注频锁相振荡器阵列的相位动力学方程可知［5］，若各振荡器的自由振荡频率与该信号频率的差小于锁相带宽，那么各振荡器的输出信号频率相同，均为注入信号的频率。在锁相带宽内调整各单元的自由振荡频率可实现阵元输出信号之间特定相位差，即相控阵波束扫描时所需的特定相位分布，替代了传统相控阵移相器的功能，从而实现波束在空间进行扫描［6］。

2 注频锁相振荡器阵列相位噪声模型

注频锁相振荡器阵列的相位噪声来源主要有两部分:一部分是来自外部，由注入源引入的相位噪声;另外一部分是振荡器振荡时的相位噪声，并受内部随机相位噪声的影响。

由注频锁相振荡器阵列的相位动力学方程［5］，可以推导出其相位噪声的动力学方程为

令ωi为第i 个振荡器的自由振荡频率，为振荡器的品质因数，则ω3dB=ωi/2Q。这里，ρi表示注入强度，δφi和δφinj分别表示第i 个振荡器的微小相位波动参量和注入信号的相位波动参量。^φ，^φinj表示阵列锁定后振荡器和注入信号的稳定相位状态参量。Bni(t)为随时间变化的噪声电纳，代表内部随机相位噪声的扰动分量。

这样，整个阵列的等效噪声模型如图2 所示。其中，振荡器的内部随机噪声用等效噪声导纳Bn，i表示，注入信号用Iinj，i表示。负载用GL，i表示。

图2 注频锁相振荡器阵列相位噪声模型

3 相位噪声的计算

对式(1)进行傅里叶变换，可得

整理得

当无注入源时，即ρ =0，此时振荡器处于自由振荡状态，即

式中，F()表示傅里叶变换;ω 代表频率偏移，对于整个阵列来说，设整个注频锁相振荡器阵列的相位波动参量为δφtotal，同时假定内部随机相位噪声源为正交噪声源并且有相同的功率谱，通过计算可得整个阵列的输出相位噪声为

4 相位噪声的测试

为了验证理论分析的正确性，对1 ×4 单元注频锁相振荡器阵列的相位噪声进行了测试，由于注频锁相振荡器阵列属于非线性有源天线阵的一种，与传统的相控阵天线工作原理不同，注频锁相振荡器阵列的所有振荡器都被注入到同一个外部信号，该信号也是整个阵列实际要输出的信号。阵列输出信号的频率在工作带宽内是可以改变的，随着注入信号频率的变化而变化，前提是不能超出锁频带宽，否则注频锁相现象将消失。设计的注频锁相振荡器阵列工作于S 波段，中心频率为2.5 GHz，工作带宽在50 MHz 以内。当发生稳定的注频锁相现象时，相位噪声的测试结果均选择在此中心频率上进行测试的，此时整个阵列输出为2.5 GHz 的单载频信号。方案如图3 所示。

图3 测试方案

4 单元注频锁相振荡器阵列将发射信号送至1 ×4 单元发射微带贴片天线辐射至空间，由1 ×1单元接收天线接收后经同轴电缆连接至频谱仪，由频谱仪测量整个阵列的相位噪声。

图4 1×4 单元注频锁相振荡器阵列实物图

实验步骤。

(1)振荡器自由振荡时的相位噪声

每个微波振荡器都是采用同一集成芯片PM2503 实现，因此它们自由振荡时的相位噪声基本相当。不加注入源，对注频锁相振荡器阵列首单元加入12. 07 V 调谐电压时，自由振荡频率为2.519 GHz。用Agilent 公司的频谱仪E4407B 测得的相位噪声如图5 所示，在频率偏移10 kHz 时，相噪为－55.89 dBc/Hz 可见，振荡器自由振荡时相位噪声较差。

(2)注入源的相位噪声

图5 自由振荡时的相位噪声

采用Agilent 公司的E8257C 标准信号源输出2.5 GHz 的信号作为注入源，用频谱仪测得注入源的相位噪声如图6 所示，在频率偏移10 kHz 时，相位噪声为－100.65 dBc/Hz。

图6 注入源的相位噪声

(3)整个阵列的相位噪声

按照图3 方案，用标准信号源输出0 dBm、2.5 GHz 的信号作为注入信号，调整注频锁相振荡器阵列各单元的自由振荡频率，使其4 个单元发生稳定的注频锁相现象，测得整个阵列的相位噪声如图7 所示。

图7 整个阵列的输出相位噪声

在频率偏移10 kHz 时，相位噪声为－86.72 dBc/Hz，可见，整个阵列输出信号的相位噪声性能要远远好于振荡器自由振荡时的相噪性能，但比注入源的相位噪声性能差些。由于使用的注入源的相位噪声性能较差(高性能信号源在频率偏移10 kHz 时，相位噪声可达到－120 dBc/Hz)，致使整个阵列的相噪水平不高。

通过实验还发现:①加大注入信号的功率至5 dBm，再增加至10 dBm。在频率偏移10 kHz 时，相位噪声分别为－91.29 dBc/Hz 和－96.12 dBc/Hz，如图8 和图9 所示。若进一步增加注入源的功率，相位噪声性能接近－97 dBc/Hz。

可见，提高注入源的功率(即增加ρ)，可改善信号的相位噪声性能，并且随着注入源功率的增加，相位噪声有一极限最小值。这也可以通过分析式(5)得到，两者吻合。通过实验，还发现采用4 个阵元输出的信号，相位噪声性能要优于只采用1 个、2 个或3 个阵元组成的阵列，也与式(5)吻合。

5 结 语

另外，实际应用的天线系统每个通道存在幅度误差和相位误差，对于非线性天线阵而言，可由其幅度动力学方程和相位动力学方程描述，并且随着幅度和相位的微小波动，整个系统会自动锁定到新的稳定状态，对于整个天线阵的性能影响已在文献［1，2］中进行了理论分析和仿真，并且证明了该方法可以在实际中进行应用研究。本文的重点则是关注整个阵列的相位噪声这一单一性能，因此，由误差引起的对天线阵的其它性能影响不做重复描述。

相位噪声的测试结果与理论分析结果吻合。因此，可以得出基于注频锁相振荡器阵列的低相位噪声信号产生方法为:①尽可能采用更低相位噪声的单片微波集成电路芯片设计振荡器。②尽可能采用高稳定度低相位噪声信号源作为注入源，利用现代高稳定度低相位噪声信号产生技术完全可以实现这一要求。③适当增加注入源的功率。④适当增加注频锁相振荡器阵列阵元的数目。

［1］唐志凯，刘隆和，陶勇刚. 有源天线阵波束电扫描新技术［J］. 微波学报. 2005，21(4):44－46.

［2］唐志凯，刘隆和，姜永华，等. 基于注频锁相技术的发射波束形成系统［J］. 微波学报，2007，23(2):19－24.

［3］BRIAN K MEADOWS，TED H HEATH，JOSEPH D NEEFF.Nonlinear Antenna Technology［J］.Proc.IEEE，2002，90(5):882－896.

［4］POGORZELSKI R J. Phased Arrays Based on Oscillators Coupled on Triangular and Hexagonal Lattices［J］. IEEE Transactions on Antenna and Propagation，2004，52(3):790－800.

［5］HEATH T. Simultaneous Beam Steering and Null Formation with Coupled，Nonlinear Oscillator Arrays［J］. IEEE Transactions on Antenna and Propagation，2005，53(6):2031－2035.

［6］高伟亮，姜永华，李军，等. 基于注频锁相振荡器阵列的多波束扫描技术［J］.微波学报.2009，25(2):6－10.

［7］高伟亮. 非线性有源天线阵多波束扫描及控制技术研究［D］. 烟台:海军航空工程学院，2009.

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