劉曉政，陳榮兆，陶玉龍，張 奕

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第38 研究所，合肥 230088)

0 引 言［1 ～5］

數(shù)字陣列模塊作為數(shù)字陣列雷達(dá)中的基本單元，是一種將多個(gè)收發(fā)通道集成的數(shù)字化雷達(dá)前端模塊。實(shí)現(xiàn)的主要作用:多通道接收機(jī)，多通道中頻信號(hào)數(shù)字化及預(yù)處理;多通道的波形產(chǎn)生及多通道數(shù)字波束形成等。數(shù)字陣列模塊與外部接口較為簡(jiǎn)單，多個(gè)數(shù)字陣列模塊可以采用搭積木的形式構(gòu)筑有源相控陣?yán)走_(dá)的天線單元。數(shù)字陣列模塊的技術(shù)指標(biāo)等決定了數(shù)字陣列雷達(dá)的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的高低，從某種程度上也決定了數(shù)字陣列雷達(dá)的生存價(jià)值和使用價(jià)值。

1 指導(dǎo)思想

相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)組件和陣面單元天線之間端口的設(shè)計(jì)十分重要，因?yàn)樵谑瞻l(fā)組件的射頻端口，既有大功率的發(fā)射信號(hào)通過(guò)天線單元向空間輻射，同時(shí)又有大動(dòng)態(tài)范圍的接收信號(hào)由天線進(jìn)入組件。如何保證收發(fā)組件有效、安全地工作，保證系統(tǒng)的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和輸出功率等指標(biāo)在接口處不變壞，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要優(yōu)先考慮的。

統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)的陣面分布設(shè)計(jì)與單個(gè)模塊的尺寸，將數(shù)字陣列模塊設(shè)計(jì)為八通道一體化的形式，考慮到發(fā)射模塊的空間隔離、散熱、供電和控制等易用性，犧牲一定的空間和重量，將數(shù)字陣列模塊設(shè)計(jì)為收發(fā)前端分離的形式，先引出數(shù)字陣列模塊在雷達(dá)系統(tǒng)中的位置，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字陣列模塊在系統(tǒng)中位置

收發(fā)前端模塊位于雷達(dá)前端，收發(fā)前端模塊內(nèi)部包括多路功率放大器、多路低噪聲放大器、多路供電分配與控制單元等，與天饋系統(tǒng)相連。相當(dāng)于傳統(tǒng)雷達(dá)的發(fā)射機(jī)和接收前端，用于提供雷達(dá)的大功率發(fā)射信號(hào)，并在接收期接收雷達(dá)回波信號(hào)，低噪聲放大器與發(fā)射功放置于一個(gè)模塊內(nèi)部，主要考慮讓低噪聲放大器盡可能地靠近天線，減少長(zhǎng)距離信號(hào)傳送帶來(lái)的系統(tǒng)噪聲的增加，提高接收靈敏度。

接收組件內(nèi)部包括上下變頻單元、本振功率分配單元、多通道數(shù)字收發(fā)電路、內(nèi)部時(shí)鐘源、多路供電分配與控制單元和分布式電源等，最終輸出接口為光纖，將多通道大容量的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送給下一級(jí)進(jìn)行處理。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 收發(fā)前端

在收發(fā)前端的電路設(shè)計(jì)中，要充分考慮與發(fā)射功率放大器的隔離，防止出現(xiàn)被干擾或不能正常工作等問(wèn)題，主要為空間隔離設(shè)計(jì)、電源隔離設(shè)計(jì)和環(huán)路增益分配設(shè)計(jì)。收發(fā)前端模塊的內(nèi)部框圖，如圖2 所示。

圖2 收發(fā)前端模塊內(nèi)部框圖

簡(jiǎn)單射頻工作鏈路如下:來(lái)自接收組件0 dBmW左右的RF 調(diào)制信號(hào)，進(jìn)入到MIC，MIC 再經(jīng)過(guò)約40 dB 功率放大，經(jīng)過(guò)末級(jí)功率管放大以約60 W 功率輸出，再經(jīng)過(guò)環(huán)行器通過(guò)電纜輸出到天線系統(tǒng)。天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)行器3 端送到LNA，經(jīng)LNA放大后由同軸電纜送到接收組件。

BITE 監(jiān)控與電源控制部分設(shè)計(jì)，采用模塊內(nèi)置BITE，具備開關(guān)機(jī)及控保、通訊功能。每個(gè)子通道能夠單獨(dú)與系統(tǒng)監(jiān)控通訊。針對(duì)性地保護(hù)發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件。LNA 的電源控制采用單獨(dú)的電路實(shí)現(xiàn)，確保與發(fā)射電源之間的隔離。一個(gè)收發(fā)前端模塊通道實(shí)際上由八個(gè)相同的功能模塊組成，其內(nèi)部正視圖，如圖3 所示。

圖3 收發(fā)前端模塊內(nèi)部正視圖

散熱設(shè)計(jì)利用了收發(fā)前端模塊與接收模塊之間形成的風(fēng)道，采用了盡可能方便有效的散熱措施，首先將收發(fā)前端模塊與接收模塊工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量通過(guò)蓋板導(dǎo)到盒體，利用散熱翅片，將兩個(gè)模塊的熱量一并帶走。此種方式既不用額外增加風(fēng)道、散熱翅片和風(fēng)機(jī)，很大程度減小了系統(tǒng)的重量，又保證了數(shù)字陣列模塊的整體性，熱分析的模塊內(nèi)部的最高溫度為72℃，滿足器件正常工作的溫度范圍。溫度仿真示意圖如圖4 所示。

圖4 溫度仿真結(jié)果

2.2 接收組件

從功能上看，接收組件內(nèi)部包括發(fā)射激勵(lì)產(chǎn)生功能、超外差接收機(jī)功能、中頻數(shù)字收發(fā)功能和高速大容量數(shù)據(jù)傳輸功能。發(fā)射激勵(lì)部分用于產(chǎn)生發(fā)射機(jī)所需要的發(fā)射激勵(lì)信號(hào)，將數(shù)字波形發(fā)生部分產(chǎn)生的含有波形代碼的中頻數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次上變頻并放大形成發(fā)射激勵(lì)信號(hào)。超外差接收機(jī)是將來(lái)自低噪聲放大器的預(yù)放大的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次下變頻放大送至中頻數(shù)字化接收機(jī)，在中頻數(shù)字收發(fā)板經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換和預(yù)處理，多通道數(shù)據(jù)融合后調(diào)制在光信號(hào)上，經(jīng)過(guò)光纖送至信號(hào)處理分機(jī)。

接收組件內(nèi)部組成框圖如圖5 所示。

接收模塊共八個(gè)通道，結(jié)構(gòu)布局上，正面上方布置為八個(gè)上下兩次變頻通道，下方布置為中頻數(shù)字收發(fā)，整個(gè)通道的信號(hào)傳輸全部在正面完成，模塊背面布置為變頻通道所需的一、二本振功分器，數(shù)字板需要的時(shí)鐘，分布式電源，接收組件布局圖如圖6 所示。

發(fā)射激勵(lì)通道與超外差接收機(jī)通道雖然實(shí)現(xiàn)的功能完全不同，一個(gè)是兩次上變頻，一個(gè)是兩次下變頻，但是其工作頻率完全相同，系統(tǒng)通道數(shù)較多，如果能將上變頻與下變頻通道融合設(shè)計(jì)，可以大大減少器件數(shù)量和成本，為此，特設(shè)計(jì)為上下變頻共用混頻器和濾波器，這樣既簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)的性能與單通道也無(wú)異。共用混頻濾波器這種方式，放大器采用分立式單片放大器，混頻器采用雙平衡混頻器，采用開關(guān)進(jìn)行收發(fā)通道之間的切換。上下兩次變頻通道電路框圖如圖8 所示。

圖8 上下兩次變頻通道電路框圖［6］

對(duì)于上變頻激勵(lì)通道，只要保證輸出功率能夠達(dá)到要求，同時(shí)能夠兼顧相位、雜散、寄生調(diào)制和對(duì)改善因子的限制等指標(biāo)，對(duì)增益的分配就相對(duì)比較簡(jiǎn)單，對(duì)于下變頻通道，主要兼顧到接收機(jī)的靈敏度和大信號(hào)時(shí)的增益分配。

中頻數(shù)字收發(fā)部分完成數(shù)字與模擬信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，其中接收時(shí)完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，發(fā)射時(shí)完成數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并將基帶信息調(diào)制到模擬信號(hào)上，接收回來(lái)的多通道的大容量數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA 進(jìn)行運(yùn)算處理經(jīng)過(guò)內(nèi)置的TRANSCEIVER 模塊，和光纖模塊直接互聯(lián)，完成光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程。

C 波段數(shù)字陣列模塊實(shí)物圖如圖9 所示。

圖9 C 波段數(shù)字陣列模塊實(shí)物圖

3 測(cè)試情況

數(shù)字陣列模塊中通道數(shù)量多，在電路中設(shè)置較多的測(cè)試端口是不現(xiàn)實(shí)的，需要測(cè)試的參數(shù)和指標(biāo)多，涉及數(shù)字和模擬兩大領(lǐng)域，如果采用常規(guī)的手動(dòng)，維修和測(cè)試的效率將是十分低下而不能容忍的。為了提高測(cè)試速度和精度，提高效率，需要同步研制自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)?；舅悸肥抢迷摂?shù)字陣列模塊的測(cè)試可以從以下兩個(gè)方面:

(1)在分機(jī)工作時(shí)，通過(guò)控制儀表的GPIB 接口，結(jié)合計(jì)算機(jī)編制專用控制軟件和時(shí)序軟件，利用數(shù)字陣列模塊中FPGA 的編程端口，基于虛擬儀表技術(shù)對(duì)光纖傳送數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。測(cè)試平臺(tái)如圖10 所示。

圖10 C 波段數(shù)字陣列模塊測(cè)試平臺(tái)

(2)在整機(jī)工作時(shí)，充分利用整機(jī)系統(tǒng)中的校正網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)校正/測(cè)試信號(hào)源和一個(gè)校正/測(cè)試接收機(jī)，通過(guò)校正來(lái)判斷接收通道/發(fā)射功率是否正常。校正網(wǎng)絡(luò)耦合度太低，可能使接收測(cè)試信號(hào)的信噪比過(guò)小，建議采用分行/列，矩陣開關(guān)的方式進(jìn)行校正/測(cè)試。

該C 波段數(shù)字陣列模塊部分指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果如圖11 ～圖13 所示。

C 波段數(shù)字陣列模塊達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下。

· 單模塊通道數(shù):8 個(gè)T/R 通道;

· 模塊尺寸:350 mm×240 mm×30 mm;

· 模塊重量:17.5 kg;

· 中頻帶寬:10 MHz;

· 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍:≥60 dB;

· 鏡像抑制度:≥50 dB;

· 最大占空比:20%;

· 單路輸出峰值功率:≥50 W;

4 前景展望

該C 波段數(shù)字陣列模塊的成功研制，滿足了該頻段的數(shù)字陣列雷達(dá)的使用需求，經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析，該數(shù)字陣列模塊各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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