全双工相控阵天线收发隔离分析

翟江鹏，陈细秋，马牧远

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军61876部队，海南 三亚 572022； 3.西安卫星测控中心，陕西 西安 710000)

0 引言

随着科学技术的发展，现代战争要求武器平台具备侦察、通信、电子对抗等多种功能，以满足信息化联合作战使用需求[1-2]。雷达和通信系统在功能及工作方式上存在较大区别，但是它们在系统组成上却有极大的相似性，均由发射机、接收机、收发信道模块、天线系统及信号处理单元等硬件模块组成，为雷达通信一体化设计带来了可能性[3-4]。

相控阵天线凭借波束捷变扫描、适于装备平台赋型搭载、通道冗余可靠性高等特点在雷达、通信、测控等领域得到了广泛应用，已成为未来综合电子系统的主流应用设备[5]。雷达系统采用收发分时工作方式，通信系统则通常采用收发全双工工作方式，因此在进行雷达通信一体化设计过程中需要对相控阵天线收发隔离进行重点设计。本文对全双工相控阵天线系统收发隔离进行理论分析，以非同频全双工相控阵天线为例，给出了收发隔离设计方案。

1 原理分析

收发全双工相控阵天线工作原理框图如图1所示，在发射链路中，发射信号经移相器后输入至功放模块进行功率放大，发阻滤波器对功放输出信号进行滤波处理，抑制发射信号工作带宽外杂散谐波，滤波后的发射信号由发射单元天线辐射输出。接收链路中，接收单元天线对部分发射信号进行耦合接收，收阻滤波器对接收到的信号进行滤波，抑制接收频点带宽外信号，滤波后信号经低噪放放大及移相处理后由信号接收采集单元进行采样处理。收发隔离主要通过滤波设计，加强收发链路隔离和降低发射链路对接收链路的干扰。

图1 全双工相控阵天线收发链路框图

发射链路发阻滤波器主要作用：阻止发射链路功放模块非线性特性产生的交调信号落入接收链路工作带内，交调信号会影响接收链路正常工作；降低耦合进入接收链路的发射噪声，接收链路收阻滤波器无法对该噪声进行滤除，因该噪声同接收信号工作频点、带宽一致。因此发射链路发阻滤波器必须将发射交调信号降低至接收链路噪声水平以下，并将发射链路噪声降低至合适水平，使其不会导致接收链路低噪放输出饱和。

接收链路收阻滤波器主要作用：避免因发射链路输出信号功率太大，导致接收链路低噪放饱和；对耦合进入的接收链路发射信号进行抑制，避免由于低噪放的非线性导致该信号同接收频点信号产生交调信号。

通过噪声系数可分析耦合噪声的增加对接收系统性的影响，噪声系数是用来反映射频模块内部噪声水平的重要指标，通常被定义为射频网络输入端信噪比与输出端信噪比的比值。接收链路低噪放自身噪声系数为F，发射端噪声耦合进入低噪放，导致低噪放噪声系数增加，可表示为：

Fe=FΔF

(1)

式中，ΔF表示耦合噪声对低噪放噪声系数的调整量，ΔF≥1，Fe表示加入耦合噪声后低噪放的噪声系数。

假设低噪放增益为G，低噪放输入噪声功率为Ni，则输出噪声功率可表示为：

No=GNi+(F-1)GkT

(2)

式中，k=1.38×10-23J/K，为玻尔兹曼常数，T为环境室温。

假设同等功率输出噪声由全部由低噪放自身产生，此时低噪放噪声系数为Fe，则输出噪声功率可表示为：

No=(Fe-1)GkT

(3)

将式(2)、式(3)等同，对其进行简化可求得：

Ni=(Fe-F)kT=(ΔF-1)FkT

(4)

由式(4)可知低噪放输入端噪声功率Ni对低噪放噪声系数调整量为ΔF，低噪放输入端噪声的增加将导致接收系统噪声系数增加，直接影响接收系统对微弱信号的接收解析处理，因此应当对低噪放端输入的带内噪声功率进行严格限制。

2 收发隔离计算案例

通信系统通常采用收发非同频方式来降低收发设备间干扰，为保证全双工相控阵天线系统正常工作，根据上述工作原理分析需从以下两个条件考虑收发隔离设计[6]：

(1)发射信号耦合进入接收天线，发射工作频点信号经极化隔离和收阻滤波器抑制后接入低噪放，其信号电平应当低于低噪放饱和输入功率电平，确保低噪放未饱和或烧毁。

(2)发射信号耦合进入接收天线，发射信号带外噪声落入接收频带范围，导致接收频带内噪声增加，其对噪声恶化程度应当不影响信号正常接收解析。

图2 耦合噪声功率对噪声总功率影响

根据非同源噪声功率叠加计算结果如图2所示，图中给出了叠加耦合噪声功率相对原接收通道噪声功率变化对接收通道噪声总功率影响。当耦合噪声功率比接收系统正常工作时自身噪声功率低10dB时，接收通道噪声增加0.4dB，导致接收通道信噪比降低0.4dB，此时不会对接收信号正常解析造成严重影响。

根据上述收发隔离设计条件，以L频点收发全双工相控阵天线系统单个接收通道为例进行收发隔离分析。发射信号中心频点为1300MHz，工作带宽±10MHz，接收信号中心频点为1200MHz，工作带宽±10MHz，发射天线为左旋圆极化，接收天线为右旋圆极化。

根据设计：(1)发射工作频点信号经极化隔离和收阻滤波器抑制后电平低于低噪放饱和输入电平。

P发射-L发阻+G发射单元-L极化隔离+G接收单元-L收阻≤P-1-G低噪放

(5)

式中，P发射为发射功放模块输出信号电平，作为设计输入条件，这里取40dBm；L发阻为发阻滤波器对发射信号抑制衰减量，取0.5dB；G发射单元为发射单元天线增益，取5dB；L极化隔离为左/右旋天线极化隔离度，取25dB；G接收单元为接收天线对发射频点信号放大增益，取2dB；L收阻为收阻滤波器对带外发射信号抑制衰减量，作为设计结果；P-1为低噪放1dB压缩点饱和功率，取0dBm；G低噪放为低噪放增益，取40dB。

对上式进行简化，可得：

L收阻≥P发射+21.5dB

(6)

即本案例中要求收阻滤波器对带外信号抑制达到61.5dB。

(2)发射信号带外噪声落入接收频带范围内的噪声功率比接收通道自身噪声功率低10dB。

接收通道自身噪声功率计算如下：

在290K环境温度下，噪声功率谱密度N0可表示为：

N0=kT=-204dBW/Hz

(7)

工作带宽Bn为20MHz，接收通道带内噪声功率N为：

N=N0Bn=-131dBW=-101dBm

(8)

根据上述设计条件(2)，要求发射信号带外噪声落入接收频带范围内的噪声功率为-111dBm，可通过功放模块滤波及发阻滤波器隔离抑制来满足该条件。

图3 收发共阵阵列

上面对单个收发通道间收发隔离进行了分析计算，对于多通道相控阵天线系统来说，需要进一步考虑多通道间收发隔离。以图3收发单元天线共阵阵列为例，第一行1-1至1-3、第三行3-1至3-3共计6阵元为发射通道，第二行2-1至2-3三阵元为接收通道，收发通道相邻，存在多通道间干扰影响。以阵列中心2-2接收通道为例分析，该阵元同时受到第一、二行6个发射通道信号干扰，因此需要对上述单通道收发隔离计算进行修正。

6个发射通道耦合进入接收阵元2-2的发射工作频点信号功率可表示为：

P发射×(a11+a12+a13+a31+a32+a33)

(9)

a11至a33为各阵元发射信号辐射耦合修正因子，该因子主要受收发阵元相对位置关系、距离、收发阵元天线方向图特性等因素影响，理想情况下该因子随发射阵元与被干扰阵元位置分布关系呈几何对称分布，实际过程中受单元天线间方向图一致性影响而存在一定误差，需要通过标定测试来获得。

同样，6个发射通道耦合进入接收阵元2-2接收频带内功率可表示为：

P接收带内噪声×(b11+b12+b13+b31+b32+b33)

(10)

3 结束语

本文针对雷达通信一体化应用中全双工工作方式，对相控阵天线系统收发隔离进行了理论分析与设计，给出了相控阵天线收发隔离设计条件要素，并结合案例给出了单通道及多通道间收发隔离设计详细过程，可用于指导全双工相控阵天线系统工程设计与实现。