劉曉政，陳榮兆，陶玉龍，張 奕

(中國電子科技集團第38 研究所，合肥 230088)

0 引 言［1 ～5］

數(shù)字陣列模塊作為數(shù)字陣列雷達中的基本單元，是一種將多個收發(fā)通道集成的數(shù)字化雷達前端模塊。實現(xiàn)的主要作用:多通道接收機，多通道中頻信號數(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單，多個數(shù)字陣列模塊可以采用搭積木的形式構(gòu)筑有源相控陣雷達的天線單元。數(shù)字陣列模塊的技術(shù)指標等決定了數(shù)字陣列雷達的技戰(zhàn)術(shù)指標的高低，從某種程度上也決定了數(shù)字陣列雷達的生存價值和使用價值。

1 指導(dǎo)思想

相控陣雷達收發(fā)組件和陣面單元天線之間端口的設(shè)計十分重要，因為在收發(fā)組件的射頻端口，既有大功率的發(fā)射信號通過天線單元向空間輻射，同時又有大動態(tài)范圍的接收信號由天線進入組件。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、動態(tài)范圍和輸出功率等指標在接口處不變壞，是系統(tǒng)設(shè)計中需要優(yōu)先考慮的。

統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)的陣面分布設(shè)計與單個模塊的尺寸，將數(shù)字陣列模塊設(shè)計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)計為收發(fā)前端分離的形式，先引出數(shù)字陣列模塊在雷達系統(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。相當于傳統(tǒng)雷達的發(fā)射機和接收前端，用于提供雷達的大功率發(fā)射信號，并在接收期接收雷達回波信號，低噪聲放大器與發(fā)射功放置于一個模塊內(nèi)部，主要考慮讓低噪聲放大器盡可能地靠近天線，減少長距離信號傳送帶來的系統(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)換為光信號送給下一級進行處理。

2 模塊設(shè)計

2.1 收發(fā)前端

在收發(fā)前端的電路設(shè)計中，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題，主要為空間隔離設(shè)計、電源隔離設(shè)計和環(huán)路增益分配設(shè)計。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

簡單射頻工作鏈路如下:來自接收組件0 dBmW左右的RF 調(diào)制信號，進入到MIC，MIC 再經(jīng)過約40 dB 功率放大，經(jīng)過末級功率管放大以約60 W 功率輸出，再經(jīng)過環(huán)行器通過電纜輸出到天線系統(tǒng)。天線接收的信號經(jīng)過環(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，采用模塊內(nèi)置BITE，具備開關(guān)機及控保、通訊功能。每個子通道能夠單獨與系統(tǒng)監(jiān)控通訊。針對性地保護發(fā)射機的關(guān)鍵器件。LNA 的電源控制采用單獨的電路實現(xiàn)，確保與發(fā)射電源之間的隔離。一個收發(fā)前端模塊通道實際上由八個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)計利用了收發(fā)前端模塊與接收模塊之間形成的風道，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程中產(chǎn)生的熱量通過蓋板導(dǎo)到盒體，利用散熱翅片，將兩個模塊的熱量一并帶走。此種方式既不用額外增加風道、散熱翅片和風機，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)射激勵產(chǎn)生功能、超外差接收機功能、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)射激勵部分用于產(chǎn)生發(fā)射機所需要的發(fā)射激勵信號，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)字信號經(jīng)過兩次上變頻并放大形成發(fā)射激勵信號。超外差接收機是將來自低噪聲放大器的預(yù)放大的回波信號經(jīng)過兩次下變頻放大送至中頻數(shù)字化接收機，在中頻數(shù)字收發(fā)板經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和預(yù)處理，多通道數(shù)據(jù)融合后調(diào)制在光信號上，經(jīng)過光纖送至信號處理分機。

接收組件內(nèi)部組成框圖如圖5 所示。

接收模塊共八個通道，結(jié)構(gòu)布局上，正面上方布置為八個上下兩次變頻通道，下方布置為中頻數(shù)字收發(fā)，整個通道的信號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)字板需要的時鐘，分布式電源，接收組件布局圖如圖6 所示。

發(fā)射激勵通道與超外差接收機通道雖然實現(xiàn)的功能完全不同，一個是兩次上變頻，一個是兩次下變頻，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，可以大大減少器件數(shù)量和成本，為此，特設(shè)計為上下變頻共用混頻器和濾波器，這樣既簡化了電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)的性能與單通道也無異。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］

對于上變頻激勵通道，只要保證輸出功率能夠達到要求，同時能夠兼顧相位、雜散、寄生調(diào)制和對改善因子的限制等指標，對增益的分配就相對比較簡單，對于下變頻通道，主要兼顧到接收機的靈敏度和大信號時的增益分配。

中頻數(shù)字收發(fā)部分完成數(shù)字與模擬信號的相互轉(zhuǎn)換，其中接收時完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，發(fā)射時完成數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換，并將基帶信息調(diào)制到模擬信號上，接收回來的多通道的大容量數(shù)據(jù)通過FPGA 進行運算處理經(jīng)過內(nèi)置的TRANSCEIVER 模塊，和光纖模塊直接互聯(lián)，完成光電轉(zhuǎn)換的過程。

C 波段數(shù)字陣列模塊實物圖如圖9 所示。

圖9 C 波段數(shù)字陣列模塊實物圖

3 測試情況

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

(1)在分機工作時，通過控制儀表的GPIB 接口，結(jié)合計算機編制專用控制軟件和時序軟件，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)對光纖傳送數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理分析。測試平臺如圖10 所示。

圖10 C 波段數(shù)字陣列模塊測試平臺

(2)在整機工作時，充分利用整機系統(tǒng)中的校正網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)中設(shè)置一個校正/測試信號源和一個校正/測試接收機，通過校正來判斷接收通道/發(fā)射功率是否正常。校正網(wǎng)絡(luò)耦合度太低，可能使接收測試信號的信噪比過小，建議采用分行/列，矩陣開關(guān)的方式進行校正/測試。

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

C 波段數(shù)字陣列模塊達到的技術(shù)指標如下。

· 單模塊通道數(shù):8 個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)字陣列雷達的使用需求，經(jīng)過對測試結(jié)果的對比分析，該數(shù)字陣列模塊各項指標均達到預(yù)期的設(shè)計目標。

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