一种具有高隔离度和高相位一致性的多通道接收模块设计

上海航天电子技术研究所 施威 张秋明 王瀚卿 于翔 魏紫东

随着相控阵雷达的不断发展，通道隔离度和相位一致性等指标受到越来越广泛的关注。为满足相控阵雷达的需求，设计了一种具有高隔离度和高相位一致性的多通道接收模块。采用功能模块分区屏蔽的物理布局和使用高反向隔离度的本振放大器来提高通道间的隔离度。通过调整本振功分网络微带走线的电长度和使用低群时延波动的中频带通声表滤波器提高通道间的相位一致性。测试结果表明，该多通道接收模块通道隔离度≥63dBc，相位一致性≤13.6°。

接收机是雷达系统中的重要组成部分，从雷达天线接收到的各种外来干扰、杂波和接收机内部噪声中提取、放大微弱的有用回波信号[1,2]。在相控阵雷达中，接收机的通道数量不断增加，通道间的隔离度指标和通道间的相位一致性指标对系统的影响不可忽视。现在一般相控阵雷达接收机由TR 组件、功合网络和下变频接收机组成。TR 组件的相位一致性可以通过调节金丝间距的方式来改善[3]，其接收机组件的隔离度会对移相精度造成影响，通道隔离度越高，移相精度越高[4]。功合网络的相位一致性可以由前期仿真确定，而下变频接收机的隔离度指标和相位一致性指标很大程度上由硬件设计决定。

本文基于某型雷达的研制需求，设计了一种具有高隔离度和高相位一致性的多通道接收模块。介绍了多通道接收模块的电路原理，描述了该接收模块的设计与工程实现，通过金属腔体模块组合的设计提高了通道间隔离度，通过合理的设计本振移相网络和选择低群时延波动的声表带通滤波器提高了通道间的相位一致性[5]。

1 电路原理

多通道接收模块采用了模块化的设计理念，按不同的功能分成了不同的功能子模块，子模块之间通过电缆连接。在一个标准的4U 插盒内集成了5 个接收通道子模块、2 个本振功分子模块和1 个电源板。

单路接收通道的原理图如图1 所示。它主要由限幅低噪放、镜频抑制滤波器、下变频模块、STC 模块、混频模块、中频放大器、声表带通滤波器等组成，完成对射频雷达回波信号的两次下变频，并且实现对信号的滤波、放大和灵敏度时间控制（STC）等功能。

图1 接收通道原理图Fig.1 Schematic diagram of receiving channel

每路接收通道在电路结构上完全一致。其中下变频模块、STC 模块和混频模块使用13 所17 专的多功能封装器件，减小了电路规模尺寸。接收链路最前端的低噪声放大器中集成了限幅器，满足抗烧毁的要求。通过链路中的开关器件来实现接收通道的关断功能。STC 模块包含一级压控衰减器和一级数控衰减器，压控衰减器实现STC 功能，数控衰减器用来调整通道增益。

2 工程设计

2.1 物理布局

多通道接收模块整体采用大盒体套小盒体的形式，各个功能单元单独一个金属屏蔽小盒体，使用金属壁压接加上盖板的形式进行屏蔽，提高抗干扰性能。接收通道电源由专门的电源板提供，两者通过上下对插的低频接插件互连，对应接收通道的接插件四周密封，使得整个盒体与外界基本完全隔离。接收通道的本振输入口由两个背向垂直安装的SSMP 电连接器完成，与本振模块之间通过射频电缆连接。单个接收通道的结构图如图2所示，整机结构拓扑图如图3 所示。

图2 单个接收通道的结构图Fig.2 Structure diagram of one single receiving channel

图3 整机结构拓扑图Fig.3 The topology of the multi-channel receiver

2.2 高隔离度的实现

影响通道隔离度的因素主要是共用本振和电源线、控制线之间的串扰[4]。在硬件设计中，下变频模块和混频模块的本振输入端集成了高反向隔离度的放大器，减小耦合到本振通路的信号强度[6]。各个通道之间单独通过LDO 供电，控制线串接电阻加强隔离。由于接收通道子模块和本振功分子模块拥有各自的盒体，射频信号之间物理隔离，从而得到了较高的空间隔离度。整体隔离度可以做到50dB[6]以上。

2.3 高相位一致性的实现

多通道接收模块采用超外差式结构[7-13]，有两路本振信号，一、二本振均采用低本振方案。

为保证接收模块通道间相位一致性，首先是要保证本振功分网络的相位一致性。一/二本振功分模块采用功分器加微带线设计，采用了成都亚光的YYP 系列贴片式功分器，其相位一致性在±2°以内。简洁式一分二后再一分四拓扑设计，总共功分8 路，其中3 路50Ω 电阻接地，其余5 路等电长度设计，有效保证了低损耗、宽带和相位一致性。本振功分网络是对称式结构，其中两路的微带线如图4 所示，使用ADS 对其进行仿真，通过调整微带线的电长度来保持中心相位的一致。如图5 所示可以看出，两路微带走线之间的相位基本保持一致。

图4 微带线走线ADS 仿真图Fig.4 The ADS simulation diagram of microstrip line

图5 微带线之间相位关系仿真结果图Fig.5 Simulation diagram of phase relationship

中频滤波器的群时延和群时延波动对通道间的相位一致性也有很大的影响。硬件设计中，在一中频和二中频处各使用了一级声表滤波器，群时延分别为50nS 和1090nS，群时延波动分别为12nS 和80nS。

群时延表征为相移与频率的比值，当频率一定时，群延时越小，相移就越小。群时延波动是滤波器带内绝对群时延最大值和最小值之差，群时延波动越小，代表相同信号通过滤波器后产生的相移误差越小。

5 个接收通道完全相同，理论上信号经过接收通道后产生的相移也相同，由于器件本身一致性的关系，群时延波动越小，可以认为不同器件之间的误差也越小，通道之间的相位一致性也越好。

3 测试结果

接收机模块实物图如图6 所示，使用信号源、频谱仪、示波器等设备对接收模块进行测试，测试结果如表1所示。测试相位一致性时，信号源输出的信号通过5 功分后接入接收通道，以第一个接收通道的相位为基准点，测试其余接收通道对比基准通道的相位差值。相位一致性测试数据如表2 所示。

表1 模块测试结果表Tab.1 Module test results table

表2 相位一致性测试数据表Tab.2 Phase consistency test data table

图6 接收机模块实物图Fig.6 Physical diagram of receiver

测试结果表明，接收模块的通道间隔离度为63dBc，相位一致性为13.6°。

4 结语

本文对多通道接收模块之间的高隔离度和高相位一致性的工程实现进行了分析，通过合理的物理布局和链路设计提高了通道间的隔离度，通过选择合适的声表滤波器和合理设计本振功分网络来提高通道间的相位一致性。研制结果满足雷达系统的使用需求，达到了预期目标。该设计已经应用于某型搜跟一体雷达中，工作稳定可靠。

引用

[1] 弋稳.雷达接收机技术[M].北京:电子工业出版社,2010.

[2] 丁鹭飞.雷达原理[M].北京:电子工业出版社,2020.

[3] 拖英英,吕英飞,李鸿态,等.微波组件相位一致性调节方法分析[J].电子工艺技术,2021,42(6):320-323.

[4] 武红玉,历志强,乔明昌,等.毫米波多通道接收组件隔离度对移相的影响[J].舰船电子对抗,2016,39(3):79-82.

[5] 王晓光.变频多通道通带相位一致性控制研究[J].通信技术,2018,51(10):2297-2304.

[6] 沈玮,张理正,秦琨,等.一种多通道高隔离度毫米波发射组件的设计[J].上海航天,2018,35(6):117-121.

[7] 石超,王乔楠,王元佳,等.S波段小型化接收通道设计[J].舰船电子对抗,2018,41(1):94-98.

[8] 刘强,马战刚.Ku波段雷达接收机设计[J].电子科技,2013(6):58-60.

[9] 肖恒.一种用于相控阵雷达的多通道接收机[J].舰船电子对抗,2015,38(3):15-19.

[10] 孙维佳,伍小保,范鹏飞,等.八通道X波段射频数字一体化接收机设计[J].雷达科学与技术,2020,18(1):109-114.

[11] 丁萍,方南军,胡善祥.S波段宽带16通带射频接收模块设计[J].火控雷达技术,2021,50(2):93-97.

[12] 刘伯文,刘立浩.一种双频段跟踪接收机下变频模块的设计与实现[J].无线电工程,2019,49(2):155-158.

[13] 孙珏,武超.超外差式数字化雷达接收机主要指标分析与技术研究[J].电子技术与软件工程,2021(13):74-75.