高灵敏度大动态范围船用导航雷达对数中频放大器设计

蔡　潇,陈敬军

(海军驻上海地区电子设备军事代表室，上海200233)



高灵敏度大动态范围船用导航雷达对数中频放大器设计

蔡潇,陈敬军

(海军驻上海地区电子设备军事代表室，上海200233)

摘要：对数中频放大器是船用导航雷达接收系统的核心组成部分，其性能优劣直接关系导航雷达接收系统的动态范围和对小目标的探测能力。本文介绍了一款全新设计对数中频放大器，其灵敏度高达-96 dBm，输入1 dB压缩点为-8 dBm，噪声系数为1.2 dB，同时针对不同的发射脉宽，具有3种巴特沃兹带通滤波器选择功能。

关键词：对数中频放大器；大动态范围；巴特沃兹带通滤波器；船用导航雷达接收系统

0引言

船用导航雷达主要用于海上目标的探测与跟踪，辅助船舶导航避碰，保障航行安全。随着船舶航行环境的日益复杂，导航雷达的性能，特别是在海杂波条件下对周围目标的发现能力，直接关系到船舶航行安全与船上人员的生命安危。如何增强海杂波下小目标的发现能力，一直是当今船用导航雷达技术研究的重点,也促使各个厂家不断使用新技术来提高雷达性能[1]。所谓海杂波是海浪表面对雷达发射射频脉冲信号的后向散射[2]，其在近量程海域严重地制约了导航雷达对舰船、浮标和其他海面目标的探测能力。为了在强海杂波条件下进一步提高小目标的发现能力，导航雷达接收系统的性能也必须提高。对数中频放大器是导航雷达接收系统的重要组成部分，其性能直接影响了雷达系统的检测灵敏度和接收系统的动态范围[3]。

文献[4]介绍了一款基于SBM064中频对数放大器的中频接收机，其性能优良，但其工作中心频率为30 MHz，工作带宽只有几百千兆赫，完全不能满足导航雷达中频60 MHz、带宽20 MHz信号需求。文献[5]采用两级AD8350线性放大器和一级AD8309对数放大器组成的中频对数放大器，其动态范围虽然达到98 dB，但其噪声系数为5 dB，灵敏度也只有-90 dBm，对雷达小目标的发现能力较弱，而且中频对数放大器仅具有一种带宽，无法针对多种发射脉宽选择不同的中频带宽，从而不适合应用于导航雷达接收系统。

本文介绍了一款大动态范围高灵敏度的对数中频放大器，其灵敏度可达-96 dBm，输入-1 dB压缩点为-8 dBm，整个中频放大器的动态范围为88 dB，虽然动态和文献[5]相比有所减小，但该动态范围完全满足船用导航雷达领域应用，和文献[5]相比，灵敏度提高了6 dB。这极大地提高了雷达接收系统对小目标的发现能力。除此之外，为提高不同量程下导航雷达的目标分辨率，目前流行的导航雷达通常采用多种发射脉宽，针对不同发射脉宽，设计了5 MHz，10 MHz和20 MHz 3种不同带宽的带通滤波器,其中10 MHz和20 MHz滤波器分别设计成为3阶和4阶巴特沃兹带通滤波器[6]。这有效地减小了不同脉宽下的噪声电平，提高了接收机的灵敏度，增强了雷达系统对小目标的发现能力。

1对数中频放大器结构和电路设计

图1为对数中频放大器的系统框图。整个对数中频放大器主要由低噪声中频放大电路、三路不同带宽带通滤波器、对数放大检波电路和推挽驱动电路组成。

图1　对数中频放大器的系统框图

图2　对数中频放大器原理图

图2为对数中频放大器板原理图。如图所示，60 MHz中频回波信号首先进入低噪声中频放大电路。低噪声中频放大电路基于由低噪声三极管Q1和Q2构成沃尔漫电路。Q1、Q2选择由英飞凌公司的BFR183宽带低噪声三极管,其最小噪声系数为1.2 dB。使用沃尔漫电路可以有效减少低噪声中频放大器输入端的密勒效应，提高低噪声中频放大器的带宽。C1为隔直电容，用于去除中频回波信号中的直流分量。根据Q1的芯片手册，适当选择外围R2、R3电阻数值，使得流过Q1、Q2的电流约为10 mA，这时使噪声系数最小，为1.2 dB。中频回波信号通过低噪声放大电路低噪声放大后通过隔直电容C4，进入带通选择电路。

带通选择电路由3路带通滤波器组成，由下而上分别为5、10和20 MHz。其中由于5 MHz滤波器带宽较窄，中心频率精度要求较高(60±0.1 MHz)，为了方便调节，采用π型高通滤波器和双中周(T1、T2)调谐电路的形式实现。由L5、C8和L6组成的π型高通滤波器的截止频率为30 MHz，通过调节由T1和T2组成的调谐电路上调节旋钮，可以方便实现中心频率60 MHz、带宽5 MHz的带通滤波器。中间通路为3阶Butterworth带通滤波器，采用插入损耗法进行设计，带宽为10 MHz。Butterworth带通滤波器相比于Chebyshev滤波器具有更高的带间平坦度[6]。上部通路为4阶Butterworth带通滤波器，具有更好的带宽选择特性，带宽为20 MHz。三路不同滤波器之间的切换通过双向开关二极管U1、U3和U2、U4实现。带宽选择信号1和带宽选择信号2都为直流电压信号，分别通过L2、L12和L1、L13连接到U1、U3和U2、U4。当带宽选择信号1为低电平(-5 V)时，U1中右侧二极管导通，U2中左侧二极管导通，使得中频信号通过下端通路(5 MHz带通滤波器通路)进入对数放大检波电路。当带宽选择信号1为高电平(5 V)、带宽选择信号2为高电平(5 V)时，中频信号通过中路10MHz带通滤波器。

由于带通选择电路主要由感性、容性器件组成，在带通选择电路和对数放大电路之间加入由Q3实现的射极跟随器作为隔离(Q3也为BFR183)，利用其输入阻抗高、输出阻抗低的特点，可以有效提高电路间阻抗匹配。中频信号通过C33隔直电容后进入对数放大检波电路。对数放大检波电路使用AD公司的AD8310芯片。AD8310是一个高速电压输出、解调范围为DC至400 MHz的对数放大检波芯片，其内部含有6个串联放大器，每个放大器的小信号增益为14.3 dB，其内部使用9个检波器，检波范围从-91 dBV至4 dBV。在100 MHz时其对数线性度的典型值在±0.4dB以内。为了发挥AD8310的最佳性能，参考其芯片手册，在AD8310输入端加入由R8、L14、C24组成的输入匹配网络。经过AD8310对数放大检波后的雷达视频回波信号进入推挽驱动电路。

推挽驱动电路由共基极放大Q4和推挽放大器Q5、Q6组成。+V经R9、R10分压后给Q4基极提供基极偏置电压。C25起到滤波的作用，使得Q4基极电压更加稳定。R13和R11的比值决定了共基极放大器的放大倍数。基极放大器有效克服了Q4的密勒效应，提高了放大器的带宽。由Q5、Q6组成的推挽放大器采用正负电源+V、-V供电。在不处理雷达视频信号时，处于平衡状态，Q5和Q6中无电流流过，最小化了推挽电路的功耗。U6用于电压补偿Q5和Q6门限导通电平，克服推挽电路的开关失真。推挽输出加强了电路的驱动能力。雷达视频信号经过推挽驱动电路后，再由C28隔直后，通过同轴线缆输送到雷达终端进行显示。

2实验结果

图3为三路带通滤波器的测试结果，其中图3(a)为5 MHz带通滤波器，其带宽窄，主要针对雷达长脉冲的中频回波信号进行滤波。图3(b)和图3(c)分别为10 MHz 3阶和20 MHz 4阶巴特沃斯带通滤波器，分别对中脉冲和短脉冲中频回波信号进行滤波。

由于整个放大器板的动态范围的上限主要取决于输入端低噪声放大电路的-1 dB压缩点输入功率。图4为60 MHz低噪声放大电路输出功率随输入功率的变化结果。由图4所知，在输入功率为-8 dBm时，低噪声放大电路输出功率和理想线性输出功率值之间相差1 dB，即低噪声放大电路的输入-1 dB压缩点功率为-8 dBm。

中频放大器板的噪声系数主要由第一级的低噪声放大器决定[6]。噪声系数的确定需要对低噪声放大电路进行单独的测量，但由于低噪声放大器电路为对数中频放大器板的组成部分，无法分割，所以采用安捷伦公司的ADS(Advanced Design Systems)软件仿真得到的低噪声放大器噪声系数。安捷伦公司的ADS是世界领先的电子设计自动化软件，其仿真结果精确，广泛应用于射频模拟电路设计中。由图可知，60 MHz中频时低噪声放大器的噪声系数仿真结果约为1.3 dB，整个对数中频对数放大器的灵敏度为-96 dBm，动态范围为88 dB。

图3　5、10和20 MHz带通滤波器测试结果

图4　60 MHz时低噪声放大电路输出功率随输入功率的变化

图5　低噪声放大电路噪声系数ADS仿真结果

3结束语

本文介绍了一个全新的高灵敏度大动态范围船用导航雷达对数中频放大器的详细设计并进行了测试验证，其灵敏度高，动态范围大，具有3种带宽选择，特别适合船用导航雷达接收系统的工程应用。

参考文献

[1]常会振.船舶导航雷达发展趋势的研究[J].中国水运，2013(1).

[2]行鸿彦,龚平,徐伟.海杂波背景下小目标检测的分形方法[J].物理学报,2012.

[3]John N Briggs.航海雷达目标检测[M].北京：电子工业出版社，2009:21-22.

[4]李宝森,姚国国.真对数放大器SBM064在雷达中频接收机中的应用[J].电子器件,2011.

[5] 魏旭辉，姚振东.雷达中频放大器的线性对数双特性设计[J].现代雷达，2012.

[6]David M Pozar.微波工程[M].4版.北京：电子工业出版社，2012:25-27.

Design of a logarithmic intermediate frequency amplifier of marine navigation radar with high sensitivity and large dynamic range

CAI Xiao, CHEN Jing-jun

(Military Representative Office of Electronic Equipment of the PLA Navy in Shanghai, Shanghai 200233)

Abstract:The logarithmic intermediate frequency (IF) amplifier, the performance of which greatly affects the dynamic range and small target detection capability of the receiver system of the marine navigation radar, is a key component of the radar receiver system. A new logarithmic IF amplifier is designed with the sensitivity up to -96 dBm, the input 1 dB compression point of -8 dBm, and the NF of 1.2 dB. At the same time, the logarithmic IF amplifier has three different Butterworth band-pass filters designed for various transmitting pulse widths.

Keywords:logarithmic IF amplifier; large dynamic range; Butterworth band-pass filter; marine navigation radar receiver system

中图分类号：TN72

文献标志码：A

文章编号：1009-0401(2016)01-0056-04

作者简介:蔡潇(1990-)，男，助理工程师，研究方向，雷达工程；陈敬军(1971-)，高级工程师，博士，研究方向：信号处理与反鱼雷技术。

收稿日期：2016-01-12