一種用于相控陣?yán)走_(dá)的多通道接收機(jī)

肖　恒

(中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

一種用于相控陣?yán)走_(dá)的多通道接收機(jī)

肖恒

(中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所，石家莊 050051)

摘要：分析了雷達(dá)系統(tǒng)的需求，介紹了一種用于相控陣?yán)走_(dá)的多通道接收機(jī)，對接收機(jī)指標(biāo)進(jìn)行了計算，重點分析了接收鏈路的增益分配、線性頻率調(diào)制(LFM)信號的實現(xiàn)和Ku波段本振源的低相噪設(shè)計，并優(yōu)化了接收機(jī)的抗振性能。測試結(jié)果表明接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求，整個方案合理、可行。

關(guān)鍵詞：相控陣?yán)走_(dá)；多通道接收機(jī)；頻率源；相位噪聲

0引言

近年來，不斷發(fā)展和變化的軍事需求對雷達(dá)在抗干擾、高性能、多功能和反隱身等方面提出了更高的要求。相控陣?yán)走_(dá)是目前迅速發(fā)展的雷達(dá)新技術(shù)。相控陣?yán)走_(dá)的天線陣列集成了成百上千個收發(fā)(T/R)組件，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)，其工作時采用移相技術(shù)來形成波束，在天線掃描的靈活性、信號波形的捷變等方面具有卓越的性能，易于實現(xiàn)雷達(dá)的超寬帶、多功能、高性能和高集成化，已成為現(xiàn)代雷達(dá)發(fā)展的主流[1]。

一種相控陣?yán)走_(dá)的典型組成包括天線和T/R組件陣列、子陣相加網(wǎng)絡(luò)、多通道接收機(jī)和頻率源、信號處理單元、電源及饋電網(wǎng)絡(luò)等。其中，多通道接收機(jī)實現(xiàn)雷達(dá)回波信號下變頻到中頻的功能，以便于信號處理單元進(jìn)行處理；頻率源產(chǎn)生實現(xiàn)上下變頻所需的本振信號，并產(chǎn)生雷達(dá)工作所需的線性頻率調(diào)制(LFM)信號，同時輸出信號處理參考時鐘。

本文通過對雷達(dá)系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析和論證，設(shè)計了一種用于相控陣?yán)走_(dá)的多通道接收機(jī)，接收機(jī)包含12個一致的接收通道和1個發(fā)射通道，并集成了頻綜單元。

1接收機(jī)工作原理和功能組成

多通道接收機(jī)工作在Ku波段，在結(jié)構(gòu)功能上由以下5個部分組成：信號接收單元、信號發(fā)射單元、頻綜單元、監(jiān)控單元和電源單元。多通道接收機(jī)原理框圖如圖1所示。

信號接收單元共包括12路接收通道，每路接收通道具有相同的功能和電路結(jié)構(gòu)。接收通道采用一次下變頻結(jié)構(gòu)，將雷達(dá)回波信號下變頻到中頻，變頻所需的本振信號由頻綜單元產(chǎn)生后，經(jīng)過功分網(wǎng)絡(luò)后分別提供給12路接收通道。

圖1　多通道接收機(jī)原理框圖

接收機(jī)的頻綜單元主要包括晶振、數(shù)字頻率合成器(DDS)和點頻源等部分。晶振作為頻綜單元內(nèi)各頻率源的參考信號的同時也作為雷達(dá)系統(tǒng)工作的時鐘信號；DDS輸出LFM信號，形成信號發(fā)射單元的激勵信號；Ku波段的2個跳頻源產(chǎn)生上下變頻所需的本振信號。頻綜單元的原理框圖如圖2所示。本振LO1由Ku波段跳頻源1產(chǎn)生，作為接收通道的本振信號；本振LO2由Ku波段跳頻源2產(chǎn)生，作為發(fā)射通道的二本振信號；本振LO3由Ku波段跳頻源1和Ku波段跳頻源2混頻后產(chǎn)生，作為發(fā)射通道的一本振信號。S波段點頻源、Ku波段跳頻源1和Ku波段跳頻源2均為鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，參考信號均由晶振功分得到。

圖2　頻綜單元的原理框圖

信號發(fā)射單元將頻綜單元輸出的LFM信號進(jìn)行上變頻到Ku波段，實現(xiàn)激勵信號生成并進(jìn)行功率放大的功能。信號發(fā)射單元采用2次上變頻的方式。其輸入為頻綜單元輸出的LFM信號，2次本振都由頻綜單元產(chǎn)生。功放部分由2級放大器構(gòu)成，包括一級驅(qū)動放大器和一級功率放大器。功放采用脈沖調(diào)制的工作方式，所需的發(fā)射脈沖由信號處理分機(jī)提供。發(fā)射脈沖為晶體管晶體管邏輯(TTL)電平，占空比可調(diào)。功放部分最終輸出的脈沖峰值功率為2 W，并具有30 dB的動態(tài)。

監(jiān)控單元實現(xiàn)和雷達(dá)信號處理分機(jī)的串口通信并對接收機(jī)內(nèi)部各單元工作時序進(jìn)行控制。電源單元主要為電源處理和饋電網(wǎng)絡(luò)，為接收機(jī)內(nèi)各單元提供直流電源。

2接收機(jī)指標(biāo)設(shè)計及優(yōu)化

2.1　接收通道鏈路

單路接收通道原理如圖3所示，每路接收通道在電路結(jié)構(gòu)上一致，并具有限幅、通道閉塞、增益控制和相位控制功能。

為滿足抗燒毀要求，在接收通道最前端添加限幅器。通道前端的單刀單擲開關(guān)用來實現(xiàn)通道的閉塞功能，開關(guān)在功放工作期間受控關(guān)閉以保護(hù)接收通道。同時，為保證接收通道的動態(tài)，通道具有增益控制功能，通過2級數(shù)控衰減器實現(xiàn)，2級數(shù)控衰減器分別位于射頻和中頻通道上，最終在1 dB步進(jìn)控制的基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)70 dB的最大衰減量。

接收通道的移相功能通過6位數(shù)控移相器來實現(xiàn)，最大移相范圍360°，步進(jìn)5.625°。接收通道上的鏡像抑制濾波器采用了小體積微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)濾波器，用于濾除帶外干擾和鏡像頻率，對鏡像頻率的抑制可以達(dá)到20 dB。

圖3　單路接收通道原理框圖

接收通道的變頻增益要求為70 dB，因射頻部分各控制器件的插入損耗較大，綜合考慮通道的噪聲系數(shù)和線性要求，射頻部分的增益采用2級低噪聲放大器(LNA)實現(xiàn)，射頻凈增益約為18 dB，其余51 dB的增益分配在中頻部分，采用3級單片放大器實現(xiàn)。如表1所示，完成設(shè)計的接收通道噪聲理論值約為10 dB，可以滿足15 dB的指標(biāo)要求。

表1　接收通道鏈路增益分配和噪聲計算

另外，12路接收通道之間還必須考慮通道隔離度。影響隔離度的因素主要是共用本振和電源線、控制線之間的串?dāng)_。為滿足隔離度要求，接收機(jī)的本振采用先功分后放大的形式，并通過大電感、大電容配合濾波做好對電源線和控制線之間的隔離，可以滿足通道間隔離度≥40 dB的指標(biāo)要求。

2.2　LFM信號雜散和平坦度

雷達(dá)系統(tǒng)工作在Ku波段，其發(fā)射信號由LFM信號經(jīng)過2次上變頻形成。本方案中LFM信號由DDS器件產(chǎn)生。LFM電路原理圖如圖4所示。DDS具有頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、相對帶寬寬、可編程等優(yōu)點，非常適合產(chǎn)生LFM信號。DDS所需的基準(zhǔn)信號由晶振參考信號通過鎖相環(huán)路產(chǎn)生。

圖4　LFM產(chǎn)生電路原理圖

對LFM信號波形的要求主要有雜散抑制和帶內(nèi)平坦度兩方面。就工作原理而言，DDS在生成信號的同時會帶來較多的雜散[2]，主要包括相位截斷誤差、幅度量化誤差和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換(DAC)的非線性誤差產(chǎn)生。本方案選擇了雜散性能優(yōu)良的DDS芯片AD9914，同時通過在DDS輸出端和上變頻鏈路上設(shè)置濾波器來提高雜散抑制。DDS器件生成的信號具有較為優(yōu)秀的平坦度性能，為保證最終輸出信號帶內(nèi)平坦度，上變頻鏈路上的放大器和混頻器均使用了寬帶器件，同時濾波器均對帶內(nèi)平坦度指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，最終得到的LFM信號波形雜散抑制約為60 dBc，平坦度為±1 dB。LFM信號波形如圖5所示。

圖5　LFM信號波形

2.3　本振信號的低相噪設(shè)計

本接收機(jī)采用超外差結(jié)構(gòu)，本振相位噪聲通過混頻器的頻譜搬移會對中頻輸出的噪底和相位噪聲同時產(chǎn)生影響，最終影響雷達(dá)系統(tǒng)的靈敏度[3]。接收機(jī)的3個本振信號由2個Ku波段的跳頻源直接輸出和混頻得到，因此本振信號的低相噪設(shè)計實際上是對2個跳頻源進(jìn)行低相噪設(shè)計。

由鎖相環(huán)理論可知，鎖相環(huán)的帶內(nèi)噪聲(ω<ω0)(ω0為環(huán)路帶寬)主要取決于參考晶振、鑒相器、分頻器的噪聲大小，而其帶外噪聲(ω<ω0)則主要取決于壓控振蕩器(VCO)的噪聲指標(biāo)，即鎖相環(huán)對參考晶體、鑒相器等帶內(nèi)噪聲源呈現(xiàn)低通特性，而對VCO噪聲呈現(xiàn)高通特性[4]。根據(jù)此特性，本方案選用了低相噪晶體振蕩器作為參考振蕩源，在鑒相器的選擇上考慮了器件的噪聲基底，同時綜合考慮了鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬、鑒相頻率和跳頻時間。

以Ku波段的跳頻源1為例進(jìn)行說明。跳頻源1的信號通過鑒相器HMC704鎖相產(chǎn)生，該鑒相器的底噪為-230 dBc/Hz2，鑒相頻率為20 MHz，環(huán)路帶寬設(shè)為50 kHz。

鑒相器器件噪底在輸出端引入的相位噪聲[5]：

(1)

式中：NFOM為鑒相器噪底；f0為輸出頻率；fr為參考信號頻率。

跳頻源1輸出信號基于鑒相器噪聲基底引起的相位噪聲為-103 dBc/Hz@1 kHz和-110 dBc/Hz @10 kHz。

根據(jù)鎖相環(huán)的相位噪聲特性[6]，參考源在輸出端引入的相位噪聲：

(2)

式中：Sref(f)為參考信號的相位噪聲。

計算得到本振1信號基于晶振輸入?yún)⒖夹盘栆鸬南辔辉肼暈?98 dBc/Hz@1 kHz和-103 dBc/Hz@10 kHz。綜合鑒相器底噪和晶振參考信號的影響，并考慮一定設(shè)計誤差，跳頻源1輸出信號的相位噪聲可達(dá)-95 dBc/Hz@1 kHz和-100 dBc/Hz@10 kHz，可以滿足指標(biāo)要求。

2.4　接收機(jī)抗振設(shè)計

雷達(dá)系統(tǒng)要求接收機(jī)在振動環(huán)境下能有較高的電性能穩(wěn)定性，尤其是涉及系統(tǒng)關(guān)鍵功能實現(xiàn)與否的相位噪聲指標(biāo)，要求在振動環(huán)境下惡化不大于10 dB，這就對接收機(jī)的抗振設(shè)計提出了很高的要求。為保證接收機(jī)的抗振性能，采取了以下措施：

(1) 提高盒體結(jié)構(gòu)的抗振性能，采取合理的措施進(jìn)行減振。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時使用ANSYS軟件對盒體進(jìn)行振動環(huán)境的模擬仿真，在盒體受振動影響大的部分增添加強(qiáng)筋和固定釘。

(2) 加強(qiáng)對振動敏感器件的保護(hù)，采用抗振性能好的溫補(bǔ)晶振和壓控振蕩器，同時對晶振及壓控振蕩器在裝配時采取減振措施。

(3) 在電路設(shè)計中考慮抗振設(shè)計，如鎖相環(huán)路部分，在設(shè)計上盡量加大環(huán)路帶寬，以減小振動對環(huán)路的影響。同時在器件選擇上，應(yīng)優(yōu)先選擇小型化、輕型化的表面貼裝器件。

3研制工藝及測試結(jié)果

本接收機(jī)的體積要求較為嚴(yán)格(210 mm×140 mm×35 mm)，在接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計時使用了緊湊的布局，在電路設(shè)計上優(yōu)先選擇芯片進(jìn)行設(shè)計，配合小型化工藝，最大限度地利用盒體空間。

由于整個接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含了模擬電路、數(shù)字控制電路和射頻電路，為了避免各個單元之間的串?dāng)_，接收機(jī)各部分采用模塊化設(shè)計，并仔細(xì)考慮了各功能模塊之間的屏蔽和抗干擾。模塊化設(shè)計同時縮短了接收機(jī)裝配時間，降低了電路調(diào)試難度。

接收機(jī)采用了鋁制盒體，低頻電路板采用FR-4，高頻電路板部分采用Rogers5880。接收機(jī)的整個裝配過程包括芯片共晶、金絲鍵合、基片燒結(jié)、再流焊工藝、總裝等工序，對于局部需要手工調(diào)試的器件采用手工焊接工藝。

表2為接收機(jī)部分指標(biāo)的測試結(jié)果，測試值表明各項性能均達(dá)到了指標(biāo)要求。

表2　接收機(jī)部分指標(biāo)測試結(jié)果

4結(jié)束語

本文通過對各性能指標(biāo)的分析和計算，完成了一種用于相控陣?yán)走_(dá)的多通道接收機(jī)的設(shè)計和研制。在研制過程中著重分析了接收通道鏈路增益和噪聲、本振源的相位噪聲等關(guān)鍵指標(biāo)，并對接收機(jī)的抗振性能進(jìn)行了優(yōu)化。接收機(jī)在完成生產(chǎn)加工和電路調(diào)試后，各項指標(biāo)達(dá)到了系統(tǒng)要求，驗證了該設(shè)計方案及裝配工藝的可行性。目前接收機(jī)已完成了與雷達(dá)系統(tǒng)的聯(lián)試，最終的性能指標(biāo)很好地滿足了雷達(dá)系統(tǒng)的需求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]弋穩(wěn).雷達(dá)接收機(jī)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]任鵬.一種基于DDS和PLL技術(shù)本振源的設(shè)計和實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(9)：178-180.

[3]魏宗祿.雷達(dá)導(dǎo)引頭混頻器的頻譜特性和相位噪聲模型[J].上海航天，1993(4)：19-26.

[4]張厥盛，鄭繼禹，萬心平，等.鎖相技術(shù)[M].陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，1994.

[5]Brennan P V,Thompson I.Phase/frequency detector phase noise contribution in PLL frequency synthesizer[J].Electronics Letters,2001,37(15): 939-940.

[6]張福洪，陶士杰，欒慎吉.鎖相式頻率合成器相位噪聲分析與仿真[J].電子器件,2009,32(3):22-24.

A Multi-channel Receiver For Phased Array Radar

XIAO Heng

(The 13th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050051,China)

Abstract:This paper analyzes the requirements of radar system,introduces a multi-channel receiver for phased array radar,calculates the receiver indexes,especially analyzes the gain assignment of receiving link,the realization of linear frequency modulation (LFM) signal and low phase noise design of Ku-band local oscillator,and optimizes the anti-vibration performance of receiver.Test results indicate that the main technical indexes of receiver can meet the needs of radar system and the design project is reasonable and practical.

Key words:phased array radar;multi-channel receiver;frequency source;phase noise

收稿日期:2015-03-11

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.005

中圖分類號：TN958.92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0015-04