一体化X波段机载雷达接收系统

袁同力，束永江，伍小保

(华东电子工程研究所，合肥 230088)



一体化X波段机载雷达接收系统

袁同力，束永江，伍小保

(华东电子工程研究所，合肥 230088)

摘要：介绍了一体化X波段无人机载雷达接收系统, 阐述了该接收系统的组成和实现方法, 论述了设计中的关键技术，给出了该接收系统的实际应用。

关键词：一体化系统；X波段；接收系统

0引言

现代战争中，无人机有着广泛的应用，机载雷达是战场侦察领域无人机的主要载荷设备，依据无人机上的雷达系统全面获取战场信息，就能够进行准确的判断决策。为适应无人机载雷达需求,研制了一体化X频段无人机载合成孔径雷达(SAR)/动目标指示(MTI) 雷达接收系统。

1接收系统组成和工作原理

接收系统工作原理：频率源产生所需要的本振信号和各种时钟信号，并实时产生雷达需要的任意宽带和窄带波形，通过激励输出幅度和带宽符合要求的信号[1]。SAR接收机和MTI接收机分别对回波信号进行处理。SAR接收机对回波信号进行一次变频处理，然后通过正交解调输出I、Q信号，信号送入高速模数处理器(A/D)进行处理；MTI接收机对回波信号进行二次变频，输出P波段信号，进入数字接收机进行数字下变频等数字化处理。在结构设计时，组成接收系统的各部分都进行一体化设计，采用搭积木的结构形式，放在天线阵面，紧靠着T/R组件。天线接收的信号经过合成网络，就近进入接收系统，数字化接收处理后的数据通过光纤传输到信号处理分机，光纤信号传输技术可以解决高速大容量信号的传输瓶颈，大幅度减少连接电缆和提高可靠性。接收系统组成框图如图1所示。

图 1　接收系统组成框图

该机载接收系统存在着以下问题：

(1) 宽带波形信号的产生。系统需要提供多种模式和带宽的波形信号，尤其是合成孔径雷达成像需要系统提供灵活多变的宽带波形信号。

(2) 频率源抗振设计。频率源输出的各种本振和时钟信号对系统的指标影响很大，接收系统工作在机载的环境中，振动对频率源的稳定度有不可忽视的影响，如何提高频率源自身的抗振能力极为关键。

(3) 宽窄带接收机的设计

针对以上需要解决的关键问题进行了多方面的分析。

2关键技术

2.1宽带波形信号的产生

线性调频信号是一种常用的雷达信号，因其具有良好的脉冲压缩特性，在高分辨率、合成孔径及逆合成孔径等雷达中都得到了广泛应用。目前产生系统所需线性调频信号的方法主要有2种：基于数字直读波形产生和基于直接数字频率合成(DDS)技术的波形产生方法[2]。

基于数字直读波形产生的方法原理简单，输出波形事先通过离线的方式产生并存储到只读存储器(ROM)中，工作时读取ROM数据送到数模转换器(DAC)产生需要的波形。该方法可以通过事先测量激励通道的失真来进行波形的预失真补偿(但不能实时补偿由于温度等变化造成的失真)获得较好的波形输出；对于需要产生任意带宽、脉宽和调制方式的场合，这种波形产生的方法将不再合适，因为对于宽带波形产生，DAC转换速率比较高，因此需要存储的数据量将非常巨大，现场可编程门阵列(FPGA)或闪存(FLASH)的存储空间将无法满足要求，

此时需要将波形数据存储到上位计算机中，然后在工作间隙通过高速接口(光接口)在线更新波形数据来获得任意波形。

基于DDS的波形产生方法可以直接使用具有DDS功能的ASIC芯片或基于FPGA加DAC的方式来实现，该方法可以实时产生成像雷达需要的任意波形。常规DDS功能框图如图 2所示，包括频率调制、相位累加和调制、相位幅度转换、逆Sinc函数补偿、幅度调制等几个部分[3]。

图2　DDS原理功能框图

为了直接获得射频信号的输出，目前高速DAC具有跨Nyquist域模式，跨Nyquist域DAC是通过将传统DAC改为四开关DAC来实现，通过四开关结构DAC可实现模拟混频功能，该模式下时钟信号每半个周期内混频信号的幅值在正幅值和负幅值间波动，这样DAC混频信号输出频率等于时钟频率加上或减去输入数字信号的频率，实现跨Nyquist域信号输出。当DAC转换时钟为2.4 GHz时可以直接获得0 Hz～2.4 GHz频带信号的直接输出。图 3给出了DAC转换波形图和DAC输出频谱特性。

图 3　DAC转换波形图和DAC输出频谱特性

基于FPGA的高速宽带DDS设计时，其DAC转换时钟可以高达GHz以上，而目前FPGA速度还无法实现GHz以上的速度直接运算，因此目前的实现方法是通过DDS输出数字样本信号时间交织的并行实现结构来降速处理，以获得高速宽带DDS。对于L倍并行实现的DDS模块，采用并行结构来实现DDS 算法模块，其调节参数计算与常规DDS模块完全一致，因此产生的信号和常规DDS结构产生的完全一样，信号性能指标没有变化；同时只要FPGA高速串口数量和速度满足DAC接口的需求，可以使用该结构产生与任意速度DAC相匹配的数字DDS核。

本方案采用基于FPGA的并行DDS加高速DAC的方式来实现宽带波形的任意产生，FPGA选择XILINX公司的高性能V7 系列芯片XC7VX485T，满足并行DDS以及后续采集和数字接收DDC滤波对资源的需求；DAC选择成熟应用的ADI公司2.5 GHz 14 bit具有跨Nyquist域功能的DAC/AD9739，在2.4 GHz转换速率下可以直接输出L波段、带宽700 MHz的中频信号。后级经过二倍频实现带宽1 400 MHz的激励波形信号。

2.2频率源抗振设计

为满足系统的相干积累处理和动目标检测，雷达频综器需要具有很高的频率稳定度，包括长稳和短稳。由于系统需要同时输出多路高稳信号，方案采用直接合成方式实现系统所需的时钟和本振信号，同时选用具有宽频谱抗振动、低相噪、高稳定的恒温抗振锁相晶振作参考源。频综器选用100 MHz锁相晶振作参考源，通过频率合成产生系统所需的各种时钟和本振信号。

为提高频综器模块的抗振能力，设计时从以下几个方面综合考虑：

(1) 在频综器模块中晶体振荡器对振动最为敏感，晶体振荡器在振动条件下，其谐振腔的谐振频率随外界振动加速度发生变化，这种变化表现为振动加速度的变化频率对晶体振荡器的输出信号进行角度调制，其调制度由加速度敏感度和振动量级共同决定。在实际振动环境中，晶体振荡器所承受的加速度是随机振动，即振动功率是随机分布在频率、相位、幅度的一个范围内，使得晶体振荡器的输出信号频谱纯度恶化。选用宽频谱抗振动、低相噪、高稳定的锁相晶振作参考源，其指标及抗振要求如下：

频率：100 MHz；

静态相位噪声：1 kHz处，-150 dBc/Hz；10 kHz处，-160 dBc/Hz。

该晶体振荡器选用具有对振动相对不敏感的SC切型晶体设计。

(2) 选取了晶振后，对整个晶振模块采取优化抗振结构设计是非常关键的。由于机载雷达体积小，频综器模块内部安装空间有限，晶振减振结构设计选用小体积、适合于晶振结构的减振器。该减振器为小型化橡胶阻尼减振器，具有一定的阻尼系数和强度，既能承受晶振自身的重量，对晶振起固定作用；又能对振动有最大限度的缓冲，并适宜于小体积结构安装。减振器分别安装在晶振的四角，晶振通过4个减振器固定在频综器模块的底板上，采用四角安装减振器可实现最好的抗振效果。

(3) 频综器模块中VCO对振动也较为灵敏，由于VCO电路是混合集成，并且其腔体是开放结构，通过4个M2螺钉将VCO电路陶瓷基板固定在铜底板上，然后安装在频综器模块盒体中。在振动中，盖板、铜底板的颤动都会影响VCO振荡器的输出信号，为了减小这种颤动，将陶瓷基片与铜底板的固定采用焊接形式，并且在盖板上增加固定螺钉的数量，从而提高VCO的抗振能力。

(4) 晶振采用了减振结构设计，这种减振结构只是一级减振。在实际应用中，对整个频综器模块内部安装小型减振支架作为一级减振，整个模块实现两级减振。

晶体振荡器相位噪声的典型值为： Lφi(1 kHz)≤-150dBc/Hz；Lφi(10 kHz)≤-160dBc/Hz。

对于直接合成频率源，其相噪理论值为：

(1)

以合成器的本振FLO为例，N=60，则其相位噪声功率谱密度为：Lφo(1 kHz)≈-112 dBc/Hz；Lφo(10 kHz)≈-122 dBc/Hz。

根据工程经验，因电路失谐和电源干扰等因素，其实际相噪附加值约7～9 dB，因此对于本振其相位噪声功率谱密度为：Lφo(1 kHz)≈-103 dBc/Hz；Lφo(10 kHz)≈-113 dBc/Hz。

实际测试Lφo(1 kHz)为-102 dBc/Hz。

2.3宽带接收机的设计

数字变频和接收相对模拟接收解调有很多优势，但由于数字处理器件的局限，现在还不能实现宽带的数字变频和接收[4]。在X波段SAR工作模式下，对于1 400 MHz带宽的回波信号来说，采取高中频解调方式，回波信号先进行下变频到中频S波段，然后在S波段进行模拟解调。X波段SAR接收机框图如图4所示。

图4　X波段SAR接收机框图

宽带接收机设计需充分考虑以下几方面的问题：

(1) 宽带正交解调器的优选；

(2) 合理解决匹配滤波器的实现和增加接收系统复杂程度之间的矛盾；

(3) 抑制各种噪声和干扰，提高接收系统的灵敏度；

(4) 减小器件的各种非线性和合理分配系统增益，提高系统的线性动态范围。

根据以上分析，考虑到发射信号波形带宽最宽为1 400 MHz，X波段SAR接收机接收带宽设计为最宽1 680 MHz。正交解调器提取了回波信号的幅度和相位信息，为系统提供最大的相干性，提高了系统信号处理增益，同时解决了单个相位检波器存在盲相和无法识别目标多普勒速度方向的问题。图5是宽带正交解调器实现原理电路框图[5]。

由于该正交解调器工作频率很高，带宽很宽，使用常规分立器件合成难以满足要求，因此选用集成器件来实现框图中的虚线部分，在保证性能的同时也大大缩小了体积。在正交解调器后级设计具有切比雪夫原型的低通滤波器，以满足输出信号带内良好平坦度和带外高抑制的要求，从而实现系统指标。

图5　正交解调器原理框图

宽带IQ正交解调器可实现指标为：

I/Q带宽为：DC～700 MHz

I/Q输出带内幅度波动：≤±0.5 dB

I/Q输出P-1：≥0 dBm

I、Q输出幅度不平衡度为：≤±1 dB

I、Q输出相位不正交度为：≤±2.5°

2.44路窄带接收通道间幅相一致性指标分析

窄带接收通道采用射频接收前端加数字接收机的接收方式，4路窄带通道同时接收，对幅相一致性要求高。通道间幅相一致性不满足要求时，通道失配，会导致波束形成的副瓣电平升高。通道间满足幅相一致性要求时，雷达才能实现对目标的稳定跟踪。如果对4路通道接收的脉冲信号进行相干处理，对通道相位一致性要求更高。

通道间相位一致性，首先取决于每个通道的相位特性，保证每个通道带内相位波动小，各通道相位特性曲线一致，群延迟起伏小，这样通道间的相位一致性误差才能保证较小。

为了满足要求，需要从电路设计和工艺实现两方面进行考虑。图6是接收机的组成框图，从图中可看出高指标的开关滤波器组、射频灵敏度时间控制(STC)放大器、中频自动增益控制(AGC)放大器是保证接收通道幅相一致性指标的关键。

图6　X波段MTI接收机框图

因此，在接收通道设计中应充分考虑以下几个方面的问题：

(1) 开关滤波器组的优选；

(2) 放大器与开关滤波器组的匹配设计；

(3) 抑制各种噪声和干扰，提高接收系统的灵敏度；

(4) 减小器件的各种非线性和合理分配系统增益，提高系统的线性动态范围。

从加工工艺来说, 影响相位一致性的因素主要有微带板的焊接工艺原因导致微带板钎透率有差异，导致接地不好；微带板机加工精度不够引起尺寸精度达不到要求；电装引入的误差。在加工中需要针对这几方面采取措施，保证加工的一致性。

通过以上分析，本系统4路窄带通道接收机通过采用共性设计，即4路相同的设计和布版，4路相同的工艺实现，有利于实现多通道的幅相一致性，有利于在AD采集后以其中一路为基准对其他各通道分别进行补偿校正。其具有集成度高、重量轻、幅相一致性好的特点。

4路子通道接收机能达到的技术指标为：

(1) 射频信号总带宽1 200 MHz，一本振跳频工作，中频信号带宽80 MHz；

(2) 通道间幅度不一致性：≤±1 dB；

(3) 通道间相位不一致性：≤±10°。

3实验结果

目前该接收系统已完成研制，经过了可靠性实验和机载飞行实验。所达到的技术指标如下：

工作频率：X波段；

工作体制：SAR和MTI；

系统工作带宽：1 400 MHz，800 MHz，400 MHz，100 MHz等；

本振相噪：≤-102 dBc/Hz；

动态范围：≥85 dB；

脉内信噪比：≥55 dB；

体积：100 mm×100 mm×366 mm；

重量：4 kg。

4结束语

一体化X波段接收系统是机载雷达重要的组成部分，它的体积、重量和功能直接影响雷达系统的性能，研制的一体化接收系统指标性能均满足无人机载雷达需求，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.

[2]祝明波，常文革，梁甸农.采用数字方法实现宽带线性调频信号产生[J].系统工程与电子技术，2000(5)：93- 96.

[3]费元春，苏广川，米红，杨明，程艳.宽带雷达信号产生技术[M].北京：国防工业出版社，2002.

[4]弋稳.雷达接收机技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[5]方立军，马骏.一种无人机载合成孔径雷达宽带波形产生及正交接收的实验研究[J].雷达与对抗，2001(1)：16-17.

Integrative X-Band Airborne Radar Receiving System

YUAN Tong-li，SHU Yong-jiang，WU Xiao-bao

(East China Research Institute of Electronic Engineering，Hefei 230088，China)

Abstract:This paper introduces the integrative X-band unmanned aerial vehicle-based radar receiving system,expatiates the composing and implementation method of the receiving system,discusses the key technologies in the design,presents the actual application of receiving system.

Key words:integrative system；X-band；receiving system

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.010

中图分类号：TN957.5

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)01-0050-04

收稿日期:2015-11-29