肖　恒

(中國(guó)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(guó)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(duì)接收機(jī)指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，重點(diǎn)分析了接收鏈路的增益分配、線性頻率調(diào)制(LFM)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)和Ku波段本振源的低相噪設(shè)計(jì)，并優(yōu)化了接收機(jī)的抗振性能。測(cè)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(gè)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(lái)，不斷發(fā)展和變化的軍事需求對(duì)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(gè)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(shí)采用移相技術(shù)來(lái)形成波束，在天線掃描的靈活性、信號(hào)波形的捷變等方面具有卓越的性能，易于實(shí)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(hào)處理單元、電源及饋電網(wǎng)絡(luò)等。其中，多通道接收機(jī)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波信號(hào)下變頻到中頻的功能，以便于信號(hào)處理單元進(jìn)行處理；頻率源產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)上下變頻所需的本振信號(hào)，并產(chǎn)生雷達(dá)工作所需的線性頻率調(diào)制(LFM)信號(hào)，同時(shí)輸出信號(hào)處理參考時(shí)鐘。

本文通過(guò)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析和論證，設(shè)計(jì)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(gè)一致的接收通道和1個(gè)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(gè)部分組成：信號(hào)接收單元、信號(hào)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(hào)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(hào)下變頻到中頻，變頻所需的本振信號(hào)由頻綜單元產(chǎn)生后，經(jīng)過(guò)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(diǎn)頻源等部分。晶振作為頻綜單元內(nèi)各頻率源的參考信號(hào)的同時(shí)也作為雷達(dá)系統(tǒng)工作的時(shí)鐘信號(hào)；DDS輸出LFM信號(hào)，形成信號(hào)發(fā)射單元的激勵(lì)信號(hào)；Ku波段的2個(gè)跳頻源產(chǎn)生上下變頻所需的本振信號(hào)。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(hào)；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(hào)；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(hào)。S波段點(diǎn)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(hào)均由晶振功分得到。

圖2　頻綜單元的原理框圖

信號(hào)發(fā)射單元將頻綜單元輸出的LFM信號(hào)進(jìn)行上變頻到Ku波段，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)生成并進(jìn)行功率放大的功能。信號(hào)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(hào)，2次本振都由頻綜單元產(chǎn)生。功放部分由2級(jí)放大器構(gòu)成，包括一級(jí)驅(qū)動(dòng)放大器和一級(jí)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(hào)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(dòng)態(tài)。

監(jiān)控單元實(shí)現(xiàn)和雷達(dá)信號(hào)處理分機(jī)的串口通信并對(duì)接收機(jī)內(nèi)部各單元工作時(shí)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(jì)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(lái)實(shí)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(shí)，為保證接收通道的動(dòng)態(tài)，通道具有增益控制功能，通過(guò)2級(jí)數(shù)控衰減器實(shí)現(xiàn)，2級(jí)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(shí)現(xiàn)70 dB的最大衰減量。

接收通道的移相功能通過(guò)6位數(shù)控移相器來(lái)實(shí)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(duì)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(jí)低噪聲放大器(LNA)實(shí)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(jí)單片放大器實(shí)現(xiàn)。如表1所示，完成設(shè)計(jì)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(jì)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(guò)大電感、大電容配合濾波做好對(duì)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(hào)雜散和平坦度

雷達(dá)系統(tǒng)工作在Ku波段，其發(fā)射信號(hào)由LFM信號(hào)經(jīng)過(guò)2次上變頻形成。本方案中LFM信號(hào)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(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、相對(duì)帶寬寬、可編程等優(yōu)點(diǎn)，非常適合產(chǎn)生LFM信號(hào)。DDS所需的基準(zhǔn)信號(hào)由晶振參考信號(hào)通過(guò)鎖相環(huán)路產(chǎn)生。

圖4　LFM產(chǎn)生電路原理圖

對(duì)LFM信號(hào)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(hào)的同時(shí)會(huì)帶來(lái)較多的雜散[2]，主要包括相位截?cái)嗾`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(shí)通過(guò)在DDS輸出端和上變頻鏈路上設(shè)置濾波器來(lái)提高雜散抑制。DDS器件生成的信號(hào)具有較為優(yōu)秀的平坦度性能，為保證最終輸出信號(hào)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(shí)濾波器均對(duì)帶內(nèi)平坦度指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，最終得到的LFM信號(hào)波形雜散抑制約為60 dBc，平坦度為±1 dB。LFM信號(hào)波形如圖5所示。

圖5　LFM信號(hào)波形

2.3　本振信號(hào)的低相噪設(shè)計(jì)

本接收機(jī)采用超外差結(jié)構(gòu)，本振相位噪聲通過(guò)混頻器的頻譜搬移會(huì)對(duì)中頻輸出的噪底和相位噪聲同時(shí)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(gè)本振信號(hào)由2個(gè)Ku波段的跳頻源直接輸出和混頻得到，因此本振信號(hào)的低相噪設(shè)計(jì)實(shí)際上是對(duì)2個(gè)跳頻源進(jìn)行低相噪設(shè)計(jì)。

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(duì)參考晶體、鑒相器等帶內(nèi)噪聲源呈現(xiàn)低通特性，而對(duì)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(shí)綜合考慮了鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬、鑒相頻率和跳頻時(shí)間。

以Ku波段的跳頻源1為例進(jìn)行說(shuō)明。跳頻源1的信號(hào)通過(guò)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(hào)頻率。

跳頻源1輸出信號(hào)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(hào)的相位噪聲。

計(jì)算得到本振1信號(hào)基于晶振輸入?yún)⒖夹盘?hào)引起的相位噪聲為-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(hào)的影響，并考慮一定設(shè)計(jì)誤差，跳頻源1輸出信號(hào)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(jì)

雷達(dá)系統(tǒng)要求接收機(jī)在振動(dòng)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(shí)現(xiàn)與否的相位噪聲指標(biāo)，要求在振動(dòng)環(huán)境下惡化不大于10 dB，這就對(duì)接收機(jī)的抗振設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)使用ANSYS軟件對(duì)盒體進(jìn)行振動(dòng)環(huán)境的模擬仿真，在盒體受振動(dòng)影響大的部分增添加強(qiáng)筋和固定釘。

(2) 加強(qiáng)對(duì)振動(dòng)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(shí)對(duì)晶振及壓控振蕩器在裝配時(shí)采取減振措施。

(3) 在電路設(shè)計(jì)中考慮抗振設(shè)計(jì)，如鎖相環(huán)路部分，在設(shè)計(jì)上盡量加大環(huán)路帶寬，以減小振動(dòng)對(duì)環(huán)路的影響。同時(shí)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(cè)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(jì)時(shí)使用了緊湊的布局，在電路設(shè)計(jì)上優(yōu)先選擇芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，配合小型化工藝，最大限度地利用盒體空間。

由于整個(gè)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(gè)單元之間的串?dāng)_，接收機(jī)各部分采用模塊化設(shè)計(jì)，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(jì)同時(shí)縮短了接收機(jī)裝配時(shí)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(gè)裝配過(guò)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(duì)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(cè)試結(jié)果，測(cè)試值表明各項(xiàng)性能均達(dá)到了指標(biāo)要求。

表2　接收機(jī)部分指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)各性能指標(biāo)的分析和計(jì)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(jì)和研制。在研制過(guò)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(duì)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(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了系統(tǒng)要求，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)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)。

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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(hào)：TN958.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2015)03-0015-04