一种用于相控阵雷达的多通道接收机

肖　恒

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)

一种用于相控阵雷达的多通道接收机

肖恒

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)

摘要：分析了雷达系统的需求，介绍了一种用于相控阵雷达的多通道接收机，对接收机指标进行了计算，重点分析了接收链路的增益分配、线性频率调制(LFM)信号的实现和Ku波段本振源的低相噪设计，并优化了接收机的抗振性能。测试结果表明接收机的主要技术指标满足系统要求，整个方案合理、可行。

关键词：相控阵雷达；多通道接收机；频率源；相位噪声

0引言

近年来，不断发展和变化的军事需求对雷达在抗干扰、高性能、多功能和反隐身等方面提出了更高的要求。相控阵雷达是目前迅速发展的雷达新技术。相控阵雷达的天线阵列集成了成百上千个收发(T/R)组件，相较于传统的机械扫描雷达，其工作时采用移相技术来形成波束，在天线扫描的灵活性、信号波形的捷变等方面具有卓越的性能，易于实现雷达的超宽带、多功能、高性能和高集成化，已成为现代雷达发展的主流[1]。

一种相控阵雷达的典型组成包括天线和T/R组件阵列、子阵相加网络、多通道接收机和频率源、信号处理单元、电源及馈电网络等。其中，多通道接收机实现雷达回波信号下变频到中频的功能，以便于信号处理单元进行处理；频率源产生实现上下变频所需的本振信号，并产生雷达工作所需的线性频率调制(LFM)信号，同时输出信号处理参考时钟。

本文通过对雷达系统的需求进行分析和论证，设计了一种用于相控阵雷达的多通道接收机，接收机包含12个一致的接收通道和1个发射通道，并集成了频综单元。

1接收机工作原理和功能组成

多通道接收机工作在Ku波段，在结构功能上由以下5个部分组成：信号接收单元、信号发射单元、频综单元、监控单元和电源单元。多通道接收机原理框图如图1所示。

信号接收单元共包括12路接收通道，每路接收通道具有相同的功能和电路结构。接收通道采用一次下变频结构，将雷达回波信号下变频到中频，变频所需的本振信号由频综单元产生后，经过功分网络后分别提供给12路接收通道。

图1　多通道接收机原理框图

接收机的频综单元主要包括晶振、数字频率合成器(DDS)和点频源等部分。晶振作为频综单元内各频率源的参考信号的同时也作为雷达系统工作的时钟信号；DDS输出LFM信号，形成信号发射单元的激励信号；Ku波段的2个跳频源产生上下变频所需的本振信号。频综单元的原理框图如图2所示。本振LO1由Ku波段跳频源1产生，作为接收通道的本振信号；本振LO2由Ku波段跳频源2产生，作为发射通道的二本振信号；本振LO3由Ku波段跳频源1和Ku波段跳频源2混频后产生，作为发射通道的一本振信号。S波段点频源、Ku波段跳频源1和Ku波段跳频源2均为锁相环结构，参考信号均由晶振功分得到。

图2　频综单元的原理框图

信号发射单元将频综单元输出的LFM信号进行上变频到Ku波段，实现激励信号生成并进行功率放大的功能。信号发射单元采用2次上变频的方式。其输入为频综单元输出的LFM信号，2次本振都由频综单元产生。功放部分由2级放大器构成，包括一级驱动放大器和一级功率放大器。功放采用脉冲调制的工作方式，所需的发射脉冲由信号处理分机提供。发射脉冲为晶体管晶体管逻辑(TTL)电平，占空比可调。功放部分最终输出的脉冲峰值功率为2 W，并具有30 dB的动态。

监控单元实现和雷达信号处理分机的串口通信并对接收机内部各单元工作时序进行控制。电源单元主要为电源处理和馈电网络，为接收机内各单元提供直流电源。

2接收机指标设计及优化

2.1　接收通道链路

单路接收通道原理如图3所示，每路接收通道在电路结构上一致，并具有限幅、通道闭塞、增益控制和相位控制功能。

为满足抗烧毁要求，在接收通道最前端添加限幅器。通道前端的单刀单掷开关用来实现通道的闭塞功能，开关在功放工作期间受控关闭以保护接收通道。同时，为保证接收通道的动态，通道具有增益控制功能，通过2级数控衰减器实现，2级数控衰减器分别位于射频和中频通道上，最终在1 dB步进控制的基础上可以实现70 dB的最大衰减量。

接收通道的移相功能通过6位数控移相器来实现，最大移相范围360°，步进5.625°。接收通道上的镜像抑制滤波器采用了小体积微机电系统(MEMS)滤波器，用于滤除带外干扰和镜像频率，对镜像频率的抑制可以达到20 dB。

图3　单路接收通道原理框图

接收通道的变频增益要求为70 dB，因射频部分各控制器件的插入损耗较大，综合考虑通道的噪声系数和线性要求，射频部分的增益采用2级低噪声放大器(LNA)实现，射频净增益约为18 dB，其余51 dB的增益分配在中频部分，采用3级单片放大器实现。如表1所示，完成设计的接收通道噪声理论值约为10 dB，可以满足15 dB的指标要求。

表1　接收通道链路增益分配和噪声计算

另外，12路接收通道之间还必须考虑通道隔离度。影响隔离度的因素主要是共用本振和电源线、控制线之间的串扰。为满足隔离度要求，接收机的本振采用先功分后放大的形式，并通过大电感、大电容配合滤波做好对电源线和控制线之间的隔离，可以满足通道间隔离度≥40 dB的指标要求。

2.2　LFM信号杂散和平坦度

雷达系统工作在Ku波段，其发射信号由LFM信号经过2次上变频形成。本方案中LFM信号由DDS器件产生。LFM电路原理图如图4所示。DDS具有频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、相对带宽宽、可编程等优点，非常适合产生LFM信号。DDS所需的基准信号由晶振参考信号通过锁相环路产生。

图4　LFM产生电路原理图

对LFM信号波形的要求主要有杂散抑制和带内平坦度两方面。就工作原理而言，DDS在生成信号的同时会带来较多的杂散[2]，主要包括相位截断误差、幅度量化误差和数字模拟转换(DAC)的非线性误差产生。本方案选择了杂散性能优良的DDS芯片AD9914，同时通过在DDS输出端和上变频链路上设置滤波器来提高杂散抑制。DDS器件生成的信号具有较为优秀的平坦度性能，为保证最终输出信号带内平坦度，上变频链路上的放大器和混频器均使用了宽带器件，同时滤波器均对带内平坦度指标进行了优化，最终得到的LFM信号波形杂散抑制约为60 dBc，平坦度为±1 dB。LFM信号波形如图5所示。

图5　LFM信号波形

2.3　本振信号的低相噪设计

本接收机采用超外差结构，本振相位噪声通过混频器的频谱搬移会对中频输出的噪底和相位噪声同时产生影响，最终影响雷达系统的灵敏度[3]。接收机的3个本振信号由2个Ku波段的跳频源直接输出和混频得到，因此本振信号的低相噪设计实际上是对2个跳频源进行低相噪设计。

由锁相环理论可知，锁相环的带内噪声(ω<ω0)(ω0为环路带宽)主要取决于参考晶振、鉴相器、分频器的噪声大小，而其带外噪声(ω<ω0)则主要取决于压控振荡器(VCO)的噪声指标，即锁相环对参考晶体、鉴相器等带内噪声源呈现低通特性，而对VCO噪声呈现高通特性[4]。根据此特性，本方案选用了低相噪晶体振荡器作为参考振荡源，在鉴相器的选择上考虑了器件的噪声基底，同时综合考虑了锁相环的环路带宽、鉴相频率和跳频时间。

以Ku波段的跳频源1为例进行说明。跳频源1的信号通过鉴相器HMC704锁相产生，该鉴相器的底噪为-230 dBc/Hz2，鉴相频率为20 MHz，环路带宽设为50 kHz。

鉴相器器件噪底在输出端引入的相位噪声[5]：

(1)

式中：NFOM为鉴相器噪底；f0为输出频率；fr为参考信号频率。

跳频源1输出信号基于鉴相器噪声基底引起的相位噪声为-103 dBc/Hz@1 kHz和-110 dBc/Hz @10 kHz。

根据锁相环的相位噪声特性[6]，参考源在输出端引入的相位噪声：

(2)

式中：Sref(f)为参考信号的相位噪声。

计算得到本振1信号基于晶振输入参考信号引起的相位噪声为-98 dBc/Hz@1 kHz和-103 dBc/Hz@10 kHz。综合鉴相器底噪和晶振参考信号的影响，并考虑一定设计误差，跳频源1输出信号的相位噪声可达-95 dBc/Hz@1 kHz和-100 dBc/Hz@10 kHz，可以满足指标要求。

2.4　接收机抗振设计

雷达系统要求接收机在振动环境下能有较高的电性能稳定性，尤其是涉及系统关键功能实现与否的相位噪声指标，要求在振动环境下恶化不大于10 dB，这就对接收机的抗振设计提出了很高的要求。为保证接收机的抗振性能，采取了以下措施：

(1) 提高盒体结构的抗振性能，采取合理的措施进行减振。在结构设计时使用ANSYS软件对盒体进行振动环境的模拟仿真，在盒体受振动影响大的部分增添加强筋和固定钉。

(2) 加强对振动敏感器件的保护，采用抗振性能好的温补晶振和压控振荡器，同时对晶振及压控振荡器在装配时采取减振措施。

(3) 在电路设计中考虑抗振设计，如锁相环路部分，在设计上尽量加大环路带宽，以减小振动对环路的影响。同时在器件选择上，应优先选择小型化、轻型化的表面贴装器件。

3研制工艺及测试结果

本接收机的体积要求较为严格(210 mm×140 mm×35 mm)，在接收机结构设计时使用了紧凑的布局，在电路设计上优先选择芯片进行设计，配合小型化工艺，最大限度地利用盒体空间。

由于整个接收机结构复杂，包含了模拟电路、数字控制电路和射频电路，为了避免各个单元之间的串扰，接收机各部分采用模块化设计，并仔细考虑了各功能模块之间的屏蔽和抗干扰。模块化设计同时缩短了接收机装配时间，降低了电路调试难度。

接收机采用了铝制盒体，低频电路板采用FR-4，高频电路板部分采用Rogers5880。接收机的整个装配过程包括芯片共晶、金丝键合、基片烧结、再流焊工艺、总装等工序，对于局部需要手工调试的器件采用手工焊接工艺。

表2为接收机部分指标的测试结果，测试值表明各项性能均达到了指标要求。

表2　接收机部分指标测试结果

4结束语

本文通过对各性能指标的分析和计算，完成了一种用于相控阵雷达的多通道接收机的设计和研制。在研制过程中着重分析了接收通道链路增益和噪声、本振源的相位噪声等关键指标，并对接收机的抗振性能进行了优化。接收机在完成生产加工和电路调试后，各项指标达到了系统要求，验证了该设计方案及装配工艺的可行性。目前接收机已完成了与雷达系统的联试，最终的性能指标很好地满足了雷达系统的需求，达到了预期目标。

参考文献

[1]弋稳.雷达接收机技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2]任鹏.一种基于DDS和PLL技术本振源的设计和实现[J].现代电子技术，2009(9)：178-180.

[3]魏宗禄.雷达导引头混频器的频谱特性和相位噪声模型[J].上海航天，1993(4)：19-26.

[4]张厥盛，郑继禹，万心平，等.锁相技术[M].陕西：西安电子科技大学出版社，1994.

[5]Brennan P V,Thompson I.Phase/frequency detector phase noise contribution in PLL frequency synthesizer[J].Electronics Letters,2001,37(15): 939-940.

[6]张福洪，陶士杰，栾慎吉.锁相式频率合成器相位噪声分析与仿真[J].电子器件,2009,32(3):22-24.

A Multi-channel Receiver For Phased Array Radar

XIAO Heng

(The 13th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050051,China)

Abstract:This paper analyzes the requirements of radar system,introduces a multi-channel receiver for phased array radar,calculates the receiver indexes,especially analyzes the gain assignment of receiving link,the realization of linear frequency modulation (LFM) signal and low phase noise design of Ku-band local oscillator,and optimizes the anti-vibration performance of receiver.Test results indicate that the main technical indexes of receiver can meet the needs of radar system and the design project is reasonable and practical.

Key words:phased array radar;multi-channel receiver;frequency source;phase noise

收稿日期:2015-03-11

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.005

中图分类号：TN958.92

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)03-0015-04