一种外场VHF频段宽带RCS测量接收机设计

张云　冯孝斌　蔡敏　汪勇峰

摘 要： 基于外场VHF频段目标特性测量需求，设计一种外场VHF频段宽带RCS测量接收机。该接收机采用预选滤波法提高了接收前端选择性，抑制射频干扰信号，同时设计频率关系，实现宽带信号接收，在后续信号处理中采用相参积累法进一步抑制射频干扰及接收机噪声，提高接收机灵敏度，实现大动态范围信号接收。通过外场试验验证，实测结果与理论仿真结果吻合较好，验证了该设计方案的可行性。

关键词： VHF频段； 宽带； 射频干扰； 宽带RCS测量接收机

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）04?0139?03

Abstract： Based on the measurement requirement of the target characteristics of outfield VHF band， a receiver for wideband RCS measurement in outfield VHF frequency band was designed. The preselection filtering method is adopted in the receiver to improve the receiving front?end selectivity and suppress the RF interference signal. The frequency relation was designed carefully to realize the reception of wideband signal. The phase?coherent accumulation method is used in subsequent signal processing to further suppress the RF interference and receiver noise. The receiver sensitivity was improved， and signal reception in large dynamic range was realized. The results from outfield experiments show that the actually?measured result is identical with the theoretical simulation result. The feasibility of the design scheme was verified.

Keywords： VHF band； broadband； RFI； receiver for wideband RCS measurement

目前国内针对典型目标的低频特性理论研究已经很成熟，但在外场背景下复杂目标的低频特性研究尚处于起步阶段。作为外场低频特性研究的关键设备之一，VHF频段宽带RCS测量设备的研制将有力促进外场低频特性的研究。由于在VHF频段存在无线电调频广播、移动通信和电视信号等多个外界频率源，因此，VHF频段宽带雷达接收系统具有严重的射频干扰（RFI）问题。因为RFI在时域、频域及空域都和目标散射信号相重叠，且其强度还可与目标散射信号的强度相比拟甚至更强，因此，有效抑制RFI是保证VHF频段宽带雷达接收系统能够正常工作的关键技术之一。本文结合实际情况，给出一种宽带RCS测量接收机设计方案，从抗干扰等方面进行了分析，并进行了试验验证。

1 接收系统分析

外场RCS测量接收机和一般雷达接收机有一定的区别，它具有相参、宽频带、大瞬时线性动态范围等特点。回波信号经低噪放、混频、中放滤波等处理环节后进行数字采集处理，可获取目标回波的幅度相位信息。基本原理框图如图1所示。

1.1 接收机干扰分析

一般干扰主要有同频干扰、交调干扰、互调干扰、阻塞干扰等。其中同频干扰是指干扰信号与有用信号频率相同或接近，并以同样的方式进入收信机中频通带形成的干扰，接收机本身不具备抑制作用，需要采取相干积累等方式抑制同频干扰。而交调干扰、互调干扰、阻塞干扰等主要是因为接收机前端电路选择性不够好，导致干扰信号进入到接收机中对接收机性能造成了一定的影响。

交调干扰是一种交叉调制，在混频级和高放级都有可能发生；交叉调制程度与干扰信号振幅的平方成正比，所以，提高前端的选择性，减弱干扰信号电压振幅，是克服交调干扰的有效措施。

互调干扰是由于放大器的非线性作用，干扰信号彼此混频，可能产生频率接近有用信号频率的互调干扰分量；互调干扰分量的强度同输入干扰信号的电压振幅有关，干扰信号振幅愈大，则互调干扰分量愈大。一般说来，当两个干扰信号频率距离信号频率较远时，用提高前端电路选择性的办法，能够有效地减小互调干扰影响。

阻塞干扰是指如果一个强干扰信号进入接收机输入端后，在输入电路抑制不良时，就会使前端电路内放大器或混频器的晶体管处于严重的非线性区域，甚至完全破坏晶体管的工作状态，使输出信噪比大大下降。

由上述分析可知，要避免交调干扰、互调干扰、阻塞干扰等影响，提高接收前端的选择性，减弱干扰信号电压的振幅是比较有效的措施，同时接收机也可采取相干积累等信号处理方式，对同频干扰等进行抑制。

1.2 宽带接收机杂波、谐波分析

外场RCS测量接收机对杂波和谐波要求较高。一般来说，下变频混频器用来把低功率的回波信号同高功率的本振信号在非线性器件中混频后，将低功率的回波信号变换成中频信号输出，这时，因为混频器的非线性特性，将产生许多寄生的高次分量。这些寄生响应将会严重影响相参雷达的接收性能。

混频器的非线性效应是产生各种寄生响应的主要原因，假设输入信号频率为[fR]，本振信号频率为[fL]，则输出信号频率为两个频率的和与差[fR+fL或fR-fL]。同时，因为混频器的非线性效应，还会产生寄生频率[±nfL±mfR]（m和n均为整数）。图2所示为一张寄生效应图[7]，这张寄生效应图使系统设计者对究竟哪些输入频率和带宽结合不会产生强的低寄生分量的情况一目了然。图2中H表示高输入频率；L表示低输入频率；横轴为归一化的输入频率[LH]，纵轴为归一化的输出差频[H-LH]。由上述分析可知，在进行宽带混频时，由于接收机的相对带宽增大，低次谐波杂散信号落入带内的概率加大，使得接收机信杂比变坏，直接影响接收机的测量精度。因而，在接收机设计中应综合考虑，如保证本振谱线纯度指标以及在混频后采取滤波等措施。

1.3 线性动态范围

外场测量实验，一般采用相对定标法，标定是一个重要环节，需要以一个雷达散射截面（RCS）已知的标准体为标准来标定待测散射体的RCS，标准体的RCS值来自理论计算和测量值。

式中：[σo]为目标RCS；[σs]为标准体RCS；[Pr]为目标回波功率；[Psr]为标准体回波功率；[Ro]为目标距离；[Rs]为标准体距离。

接收机高精度测量的前提是接收机具有良好线性动态范围，目前一般隐身目标RCS动态范围量级大于50 dB，因此设计大于60 dB的线性动态范围是必须的。

1.4 接收机相参性

由于RCS幅相测量的特殊性，它不仅要检测目标回波信号的幅度确定目标的后向散射值大小，也需要通过目标回波的相位信息分析目标的电磁散射特性，而且为了提高雷达系统的灵敏度，对回波数据进行相参积累也是非常有必要的，因此对雷达的相参性有非常高的要求，需要测量雷达严格相参。

2 接收机设计

由上述分析可知，测量接收机首先需要抑制射频干扰信号，为了滤除接收机中的各种射频干扰信号，保留有用信号，必须在接收机前端合适的地方放置预选滤波器，从频域上滤除各种射频干扰信号。其次接收机属于宽频带接收机，测量时希望有一个较为平坦的带内响应，因此接收机需要进行功率均衡，在整个信号带宽内进行幅度校正。另外接收机是严格相参接收机，接收机的本振需要采用高稳晶振产生。接收机的原理框图如图3所示。本接收机主要由限幅器、预选滤波、低噪放、功率均衡、混频、中频放大及滤波、A/D中频采集及存储、处理计算机等部分组成。依据接收机设计的总体考虑，对每部分都作了详细的指标论述，这里仅列出几个主要的参数，以示参考：信号带宽200 MHz，带内平坦度≤±1 dB；预选滤波每级带宽10 MHz，带外抑制≥60 dB；瞬时线性动态范围70 dB；中频带宽10 MHz；A/D采样速率200 MHz，位数14位。

由图4可知，经A/D采集处理后接收机实际线性动态范围远大于70 dB（蓝色*为实测功率曲线，红线为拟合功率曲线），说明接收机系统具有良好的线性动态范围。应用该接收机对某载体模型进行实际外场测试，测试频率为250 MHz，水平极化，实际测试曲线与理论仿真曲线对比如图5所示，横坐标是角度值，纵坐标为归一化RCS值。由图5可知，实际测试曲线和理论仿真曲线吻合较好，说明接收机方案设计合理。

3 结 语

本文针对VHF频段，结合实际情况，给出了一种宽带RCS测量接收机设计方案，该接收机可实现对VHF频带内射频信号抑制，具有宽频带、大动态范围接收等特点。通过外场试验验证，实测结果与理论仿真结果吻合较好，验证了设计方案的可行性，可以投入实际使用。VHF频段RCS测量设备的研制，对外场VHF频段目标电磁散射特性研究具有非常重要的意义，可有力支撑后续相关课题研究。

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