效应实验用的Ka波段正交解调接收机的研制

许雄，吴若无，韩慧，曾勇虎，汪连栋

（电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南洛阳471003）

效应实验用的Ka波段正交解调接收机的研制

许雄，吴若无，韩慧，曾勇虎，汪连栋

（电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南洛阳471003）

针对毫米波雷达的复杂电磁环境效应实验研究需求，采用超外差和模拟零中频变频级联的结构，研制了一套Ka波段正交解调接收机。该接收机由低噪声放大器、混频器、中频放大器、正交相位检波器等部分组成。测试表明：该接收机具有大于256 MHz的工作带宽，在整个工作频带内具有1 MHz的瞬时正交解调带宽，可用于开展复杂电磁环境对毫米波雷达接收信号链路影响效应实验的研究。

毫米波雷达；复杂电磁环境；效应实验；正交解调接收机

0　引言

毫米波雷达已在各类精确制导武器中获得广泛应用，如“爱国者3⁃Ⅱ”防空反导导弹、“长弓海尔法Ⅱ”型的反坦克导弹，以及各新型的空空、空地导弹和先进反辐射制导导弹（AARGM）等都采用了毫米波主动雷达导引头[1⁃2]。这些毫米波雷达的运用使得导弹具有了“全天候、发射后不管、高精度”等战术性能。当然，随着电子对抗技术的发展，这些毫米波雷达也不可避免地要受到各种电磁环境要素的影响[3]。那么，如何从各个信号处理环节上研究毫米波雷达受复杂电磁环境的影响效应，是当前的一个重要研究课题，也是毫米波雷达抗干扰性能评估、复杂电磁环境适应性试验的现实需求[4]。

针对毫米波雷达的复杂电磁环境效应实验研究需求，需要对雷达接收机中各个典型的信号接收处理环节同时进行波形和频谱的测量观察；因而必须专门研制一套典型的以供效应实验用的毫米波接收机[5]。本文通过分析，提出采用超外差变频和模拟零中频变频直接级联的双级变频思路，来实现信号接收处理环节的典型化设计，以满足复杂电磁环境效应机理的分析需求。

1　接收机设计与仿真

Ka波段是目前应用较为成熟的典型的毫米波频段，以35 GHz为中心频率的毫米波大气传输损耗相对最小，相关器件技术也最为成熟，成本也较低，因而适合作为效应实验研究的典型频段[6⁃7]。由相关公开文献的报导可知，在该频段工作的接收机，大部分都采用了多级变频的超外差体制，之后在较低的中频频率上进行模拟的正交解调或直接中频数字采样[8⁃12]。根据效应实验的研究需求，在不考虑镜频干扰的情况下，选用单级毫米波下变频的方式。同时，为了便于波形和频谱的观测，这里选用模拟的正交解调方式。

1.1方案设计

该接收机主要分为两个部分：采用毫米波前端超外差变频和零中频正交解调的级联方案，如图1所示。毫米波前端包括低噪声放大、毫米波下变频、中频滤波放大三个基本环节。零中频部分包括功分、正交混频、视频滤波放大三个基本环节。换为差分信号，进入解调器进行正交混频，输出的信号再经巴伦后转换为单端信号，输出给下一级的视频滤波放大模块，最后输出合适的正交视频信号。

1.2仿真计算

可以利用ADS软件对整个接收机进行行为级的系统仿真，以预先获知接收机的整体工作情况[13]。图4是按照设计参数所建立的接收机的行为级模型。

图1　接收机的工作原理

为了满足测试需要，毫米波前端的三个环节都相对独立设计，每个环节直接采用同轴转接头连接。其中，低噪声放大器与混频器的连接部分由于工作频率高，因此采用2.92 mm的K型接头连接，以降低连接损耗，其余部分都采用SMA接头连接。按照上述设计思路，并根据输入输出信号的参数要求，给出如图2所示的毫米波前端电路参数的指标分配图。

图2　毫米波前端的设计图

零中频正交解调模块的方案设计原理图如图3所示。

图3　零中频正交解调的设计图

这里采用高度集成的ADL5382解调芯片来完成本振移相和正交混频的功能。解调器ADL5382的射频和本振工作频段为700～2 700 MHz，转换增益约4 dB，正交解调相位精度为0.2°，幅度精度为0.5 dB，输出波形的最大幅度为2 V。射频信号进入接收机后先通过一个隔离器，用于防止反射引起的振荡，之后经巴伦转

图4　接收机的行为级仿真模型

该模型能够仿真出信号在连接线路上每个环节处的具体波形和频谱，可以获得信号经过每个处理环节的变化情况。接收机正交解调输出仿真图如图5所示，从波形图中可以看到两个通道波形的相位均相差90°，具有正交关系，输出频率可达到1 MHz。

2　部件制作与接收机性能测试

经过器件选型、电路级仿真设计、版图加工制作、腔体加工制作、器件焊接及调试等一系列开发过程，最终制作出Ka波段低噪声放大器、Ka波段混频器、L波段中频放大器、L波段零中频正交解调模块，其实物如图6所示。

将这些部件通过相应的转接头连接起来，并加入相关的毫米波本振源和中频本振源，搭建如图7（a）所示的Ka波段正交解调接收机测试现场。

对该接收机进行测试主要采用射频信号直接注入的方式，即利用毫米波信号源分别输出35 GHz的连续波和脉冲信号，直接通过同轴电缆注入低噪声放大器。再利用示波器的两个通道同时对I，Q通道输出的信号进行测量。

图7（b）显示了示波器测量到的脉冲信号经过接收机正交解调后的波形，两个通道的波形正好相差90°，为正交关系，与上述的仿真结果一致。图7（c）从另一个角度显示了两通道信号的正交关系，即在信号为正交的情况下，示波器x⁃y输出状态恰好为一个圆。

图5　接收机正交解调输出仿真图

图6　接收机各部件实物图

图7　接收机性能测试

3　结语

本文针对效应实验用的典型毫米波雷达接收信号链路的研制需求，在充分考虑接收机现行体制和硬件结构的基础上，采用毫米波前端超外差变频与零中频正交解调的级联方案，设计研制了一套典型的Ka波段正交解调接收机。

经测试，该接收机能够在以35 GHz为中心频率的Ka波段工作，工作带宽大于256 MHz，且在整个工作频带内具有1 MHz的瞬时正交解调带宽。该接收机将用于开展复杂电磁环境对典型毫米波雷达接收机的效应实验研究，满足相关指标要求。

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Develop of Ka⁃band quadrature demodulation receiver used in effect experiment

XU Xiong，WU Ruowu，HAN Hui，ZENG Yonghu，WANG Liandong
（State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System，Luoyang 471003，China）

Aiming at the experimental investigation demand of complex electromagnetic environment effect for millimeter⁃wave radar，a Ka⁃band quadrature demodulation receiver was developed by utilizing the superheterodyne and simulating the zero intermediate frequency variable frequency cascaded structure.This receiver is composed of low noise amplifier，mixer，interme⁃diate frequency amplifier and quadrature phase detector.The testing result indicates that the receiver has operating band greater than 256 MHz，and has 1 MHz instantaneous quadrature demodulation bandwidth in the entire operating band，and can be used to conduct the effect experiment investigation about influence of complex electromagnetic environment on millimeter⁃wave radar receiving signal link.

milimeter⁃wave radar；complex electromagnetic environment；effect experiment；quadrature demodulation re⁃ceiver

TN97⁃34

A

1004⁃373X（2016）02⁃0001⁃03

10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.02.001

许雄（1985—），男，助理研究员，博士。研究方向为雷达对抗试验技术、复杂电磁环境效应研究。

吴若无（1987—），男，研究实习员，硕士。研究方向为系统仿真、复杂电磁环境模拟技术。

2015⁃09⁃10

中国博士后科学基金项目（2013M542452）；CEMEE国家重点实验室基金项目（CEMEE2012Z0103B）

韩慧（1980—），女，助理研究员，硕士。研究方向为复杂电磁环境特性与模拟研究。