3 mm双圆极化收发变频组件设计研究*

刘平安，刘满国，周　帆，张　舵，张健楠（中国兵器工业第203研究所，西安　710065）

3 mm双圆极化收发变频组件设计研究*

刘平安，刘满国，周帆，张舵，张健楠
（中国兵器工业第203研究所，西安710065）

介绍一种应用于毫米波制导体制半实物仿真系统中3 mm收发变频组件的设计方案。主要对组件中核心器件：中频放大器、谐波混频器、3 mm前端低噪放、自动增益控制（AGC）等模块进行了选型分析和研究。此外，文中对3 mm射频前端加载圆极化器以适应抗干扰、高分辨雷达体制仿真的要求提出了可行方案。最终，该组件放置在有雷达导引头参与的闭环仿真实验中进行检验和测试，结论表明该组件应用在毫米波制导仿真系统回路中具有幅相稳定性高、动态范围大、信噪比高、频谱性能好等特点。

毫米波制导；变频组件；低噪放；自动增益控制

0　引言

随着现代电磁环境的日益复杂，雷达导引头所接收到的目标回波信号被大量噪声信号和干扰信号所充斥，这给雷达导引头的信号处理和对目标检测、截获带来了极大的困难。为了保证雷达寻的导弹的作战效能和命中精度，在型号研制过程中必须采用先进的毫米波制导体制半实物仿真系统来充分检验导弹的性能和可靠性。尽早发现产品设计研制过程中存在的缺陷和问题，为实弹设计的改进与优化提供指导依据［1］。

毫米波射频收发组件作为毫米波制导半实物仿真系统中重要的组成部分，是连接导引头空馈信号和射频目标模拟器的关键部件，其性能的稳定与否直接关系到毫米波半实物仿真系统的整体性能。目前，毫米波的应用主要集中在8 mm波段（Ka波段）和3 mm波段（W波段）［2］。随着现代技术的发展，Ka波段的应用趋于成熟。然而W波段由于国内器件、材料以及工艺等因素的限制［3］，发展比较缓慢，国内的报道大多都集中于单元器件，而组件和系统设计较少［4］。

文中正是基于以上背景，主要对应用在毫米波制导体制半实物仿真试验系统中的收发变频组件进行了研究。首先对该组件的系统架构和工作原理进行了系统描述；其次对组件中核心分部件的选型和性能以及在系统中的关键技术指标进行了分析和论证；再次针对当前高分辨、抗干扰雷达体制的要求，对该组件进行了双极化方面的拓展研究；最后对该组件在实际的雷达体制半实物仿真试验系统中的应用给出了数据分析和结论。

1　变频组件系统组成

3mm变频组件包括下变频部分和上变频部分，下变频部分负责信号的接收，上变频部分负责信号的发射。其原理框图见图1所示。下变频单元对从矩形喇叭天线接收的W波段3 mm雷达信号进行均衡、放大及滤波处理，与接收到射频信号源产生的100 MHz基准信号并经过组件内部倍频、放大、滤波处理产生84 GHz本振信号混频滤波处理后，使毫米波信号下变频到X波段（8 GHz～12 GHz）的低中频信号，然后输出给侦收单元做进一步的处理。此处低中频处理过程采用拨码开关的方式形成中频自动增益控制模块对输出信号进行功率调节。同理，上变频过程就是把射频信号源或者射频干扰源生成的低中频X波段（8 GHz～12 GHz）雷达信号经过均衡、滤波及放大处理后，上变频到W波段3 mm毫米波信号，并通过喇叭天线辐射出去。

图1　变频组件原理框图

2　器件选型和指标分析

2.1中频放大器

中频信号经由滤波器、放大器进入混频器中频端做上变频信号，滤波器是为防止84 GHz本振信号回窜至中频端，放大器提供所需变频增益。

中频放大器选用HMC516和HMC565两级放大，两者主要性能指标见表1和表2所示。

表1　HMC516主要参数

前级中频放大器采用HMC565，其小信号增益为23 dB，输出级中频放大器采用HMC516，其小信号增益为20 dB，典型的输出P-1为+12 dBm，末级加入10 dB衰减片后调整的P-1为+2 dBm。当发射中频信号为-25 dBm时，整个中频通道增益约为30 dB，且输出功率为+2 dBm。

中频信号送入3 mm通道后，经由混频器、滤波器、放大器和开关送达天线向外发射。滤波器的作用是为滤除84 GHz本振信号的泄露，以提高射频信号和本振信号的隔离度，功放的作用是射频信号达到所需的发射功率，其后的单刀双掷开关可以通过TTL电平控制选通输出。

表2　HMC565主要参数

2.2混频器

以上变频过程为例。

图2　上混频原理

通过图2和表3的混频过程分析发现，在谐波混频的过程中，本振和中频的6阶分量和7阶分量都会落在信号带内，这就要求合理选择中频发射功率。过大的中频发射功率会导致带内杂散过高，不符合系统要求。过低的中频发射功率会导致最终的3 mm发射功率不足。根据整体系统的性能要求和实际的应用要求，并且兼顾杂散和3 mm发射功率要求，这里选择中频发射功率为+2 dBm。

表3　谐波混频结果示意

实际测量中，混频器实际插入损耗为18 dB。

2.33mm低噪声、高增益放大器

3mm放大器选用CGY2190管芯，其主要性能参数如表4所示，器件资料显示，在92～96 GHz的频段上，放大器增益约为20 dB，输出功率为+2 dBm，单刀双掷开关的插入损耗为3 dB，计入微带线损耗，放大器及开关模块增益约为16 dB。整个3 mm通道的增益合计为-18 dB+16 dB=-2 dB，当它收到来自中频的+2 dBm信号，输出信号功率在-1 dB左右，满足设计要求。

表4　CGY2190放大器主要性能参数

2.4自动增益控制

在下变频过程中，混频器输出中频信号经由AGC放大器、滤波器和中频功放输送至后级信号处理机。AGC中频放大器是为了提供所需功率并控制功率衰减的模块；滤波器的作用是为滤除84 GHz本振信号的泄露，以提高中频信号和本振信号的隔离度，中频功放的作用是保证输出信号的P-1值大于15 dBm。

中频放大器选用HMC516和HMC565，两级放大器可实现40 dB增益。中频功放选用的芯片是HITTE公司的HMC451芯片，其增益为20 dB，输出P-1值为20 dBm，加入数控衰减芯片HMC424和固定衰减片（衰减量为15 dB）后，可以调节整个中频通道增益为43 dB，输出P-1＞15 dBm。

数控衰减芯片可以通过5位拨码开关控制，实现步进1 dB、总衰减量为30 dB的衰减控制。

2.5组件噪声分析

噪声系数作为影响雷达威力的重要参数，在雷达系统工程设计时必须进行评估和控制。噪声系数越低，雷达系统的信号传输质量更高，误码率更低［5］。上下变频组件作为雷达系统的一部分，它由多个电路单元级联组成，而级联电路的总噪声系数为：

式中：Fi为第i级电路的噪声系数；Gi为其对应的功率增益。

不妨以下变频为例，前端低噪放仍然采用CGY2190管芯，它的噪声系数为2.8，增益为20 dB，滤波器实测插入损耗0.5 dB，混频变频损耗为18 dB，根据式（1）可计算3 mm通道噪声系数为4.2 dB，足以满足系统要求。

3　双圆极化实现与组件测试结果分析

3.1双圆极化

雷达目标的极化特性是继能量、频率和相位特性之后成为雷达信息处理和电子对抗等领域的重要研究对象，在射频半实物仿真试验中，为了开展雷达寻的制导导弹在诸如反杂波、抗电子干扰、反隐身、目标几何结构刻画、特征提取与目标识别等方面的试验研究［5］，对射频收发组件进行了圆极化加载。

如图1所示，通过在发射喇叭天线前端加载圆极化器，利用TTL电平控制单刀双掷开关来分时发射左、右旋圆极化信号。圆极化器的实现可以通过在圆喇叭馈电口圆波导内插入膜片、脊、销钉、介质板或在圆波导对称壁上开槽等技术实现［6］。加载圆极化器，目的主要是为了建立目标极化散射矩阵S，通过射频后端采用极化分集技术、自适应极化捷变技术等技术开展雷达极化域抗干扰技术的研究。

极化散射矩阵包含着丰富的极化信息，而极化信息对解决当前雷达面临的四大威胁（隐身、干扰、低空突防、反辐射导弹）和提高目标识别能力具有重要的意义。

3.2组件的测试与分析

为了验证该变频组件的工作性能，将该变频组件引入到射频半实物仿真实验室进行测试，测试简图如图3所示。放置在三轴转台上的雷达寻的导引头发射W波段3 mm空馈信号，变频组件通过在无回波暗室接收导引头信号下变频到X波段送给目标模拟器（图中未画出），目标模拟器对来波信号进行延迟、调制处理生成X波段目标信号并传输给射频组件，射频组件将目标信号上变频到W波段空馈传递给导引头。

以下变频为例，导引头发射W波段步进频信号，用Agilent N9918A频谱仪观测 X波段信号如图4所示。

图3　射频组件测试简图

图4　射频组件测试频谱图

从图4可以看出，该组件带内信号平坦，信号幅度起伏在±1.5 dB以内，带外抑制能力强，信号工作带宽大，频谱性能好等特点。进一步，通过长时间和不同方案的测试，该组件具有幅相性能稳定，带内信号一致性好，带外杂散少，动态范围大（大于70 dB），抗噪能力强，工作带宽宽（可达4 GHz），极化性能优越的特点。

4　结论

文中对应用在毫米波雷达寻的制导半实物仿真系统中的射频收发组件进行了研究，给出了收发组件设计原理框图。主要对组件中关键器件和性能指标进行了分析和研究，此外，对组件的极化加载也进行了可行性分析和研究。最后将该组件引入到射频半实物仿真系统中进行了测试和检验，结果表明该组件设计良好，性能优越，满足3 mm雷达寻的制导半实物仿真的要求。

［1］张兴利，马逸超，吴自禄.射频制导半实物仿真专用毫米波变频组件设计［J］.电讯技术，2012，52（2）：216 -219.

［2］苏宏艳，朱淮城.毫米波精确制导技术及其发展趋势［J］.制导与引信，2008，29（2）：6-10.

［3］向博，窦文斌，何敏敏.三毫米波段二次谐波混频器［J］.红外与毫米波学报，2011，30（4）：343-346.

［4］康小克，刘玥玲，蔡钟斌.Ka频段固态集成功率放大器的设计［J］.信息与电子工程，2010，8（2）：155 -158.

［5］郑富强，付建国，李明图.复杂电磁环境下雷达极化信号的优化接收［J］.舰船电子对抗，2008，31（6）：62-66.

［6］丁晓磊，孟明霞.波导圆极化器技术［J］.遥测遥控，2014，35（4）：10-15.

Design of 3 mm Dual-polarization T/R Frequency Conversion Module

LIU Pingan，LIU Manguo，ZHOU Fan，ZHANG Duo，ZHANG Jiannan
（No.203 Research Institute of China Ordnance Industries，Xi’an 710065，China）

In this thesis，a design scheme for 3 mm T/R frequency conversion module in millimeter guidance hardware-in-the-loop simulation system was introduced.Those placed in module such as IF amplifier，sub-harmonic mixer，3 mm low noise amplifier and automatic gain control（AGC）were mainly analyzed and researched.In this article，a feasible scheme of loading a circular polarizer in the front of the module to achieve anti-jamming and high-resolution was further put forward.According to radar seeker simulation test，the module is proved with fine amplitude and phase consistency，large dynamic scope，high signal-noise-ratio，good spectrum performance and other excellent characteristics in the millimeter guidance hardware-in-the-loop simulation system.

millimeter wave guidance；frequency conversion module；low noise amplifier；automatic gain control

TN858

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.008

2015-01-13

刘平安（1988-），男，陕西洋县人，工程师，硕士，研究方向：射频仿真。