袁同力，束永江，伍小保

(華東電子工程研究所，合肥 230088)

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一體化X波段機載雷達接收系統(tǒng)

袁同力，束永江，伍小保

(華東電子工程研究所，合肥 230088)

摘要：介紹了一體化X波段無人機載雷達接收系統(tǒng), 闡述了該接收系統(tǒng)的組成和實現(xiàn)方法, 論述了設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)，給出了該接收系統(tǒng)的實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：一體化系統(tǒng)；X波段；接收系統(tǒng)

0引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，無人機有著廣泛的應(yīng)用，機載雷達是戰(zhàn)場偵察領(lǐng)域無人機的主要載荷設(shè)備，依據(jù)無人機上的雷達系統(tǒng)全面獲取戰(zhàn)場信息，就能夠進行準確的判斷決策。為適應(yīng)無人機載雷達需求,研制了一體化X頻段無人機載合成孔徑雷達(SAR)/動目標指示(MTI) 雷達接收系統(tǒng)。

1接收系統(tǒng)組成和工作原理

接收系統(tǒng)工作原理：頻率源產(chǎn)生所需要的本振信號和各種時鐘信號，并實時產(chǎn)生雷達需要的任意寬帶和窄帶波形，通過激勵輸出幅度和帶寬符合要求的信號[1]。SAR接收機和MTI接收機分別對回波信號進行處理。SAR接收機對回波信號進行一次變頻處理，然后通過正交解調(diào)輸出I、Q信號，信號送入高速模數(shù)處理器(A/D)進行處理；MTI接收機對回波信號進行二次變頻，輸出P波段信號，進入數(shù)字接收機進行數(shù)字下變頻等數(shù)字化處理。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，組成接收系統(tǒng)的各部分都進行一體化設(shè)計，采用搭積木的結(jié)構(gòu)形式，放在天線陣面，緊靠著T/R組件。天線接收的信號經(jīng)過合成網(wǎng)絡(luò)，就近進入接收系統(tǒng)，數(shù)字化接收處理后的數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)叫盘柼幚矸謾C，光纖信號傳輸技術(shù)可以解決高速大容量信號的傳輸瓶頸，大幅度減少連接電纜和提高可靠性。接收系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖 1　接收系統(tǒng)組成框圖

該機載接收系統(tǒng)存在著以下問題：

(1) 寬帶波形信號的產(chǎn)生。系統(tǒng)需要提供多種模式和帶寬的波形信號，尤其是合成孔徑雷達成像需要系統(tǒng)提供靈活多變的寬帶波形信號。

(2) 頻率源抗振設(shè)計。頻率源輸出的各種本振和時鐘信號對系統(tǒng)的指標影響很大，接收系統(tǒng)工作在機載的環(huán)境中，振動對頻率源的穩(wěn)定度有不可忽視的影響，如何提高頻率源自身的抗振能力極為關(guān)鍵。

(3) 寬窄帶接收機的設(shè)計

針對以上需要解決的關(guān)鍵問題進行了多方面的分析。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1寬帶波形信號的產(chǎn)生

線性調(diào)頻信號是一種常用的雷達信號，因其具有良好的脈沖壓縮特性，在高分辨率、合成孔徑及逆合成孔徑等雷達中都得到了廣泛應(yīng)用。目前產(chǎn)生系統(tǒng)所需線性調(diào)頻信號的方法主要有2種：基于數(shù)字直讀波形產(chǎn)生和基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)的波形產(chǎn)生方法[2]。

基于數(shù)字直讀波形產(chǎn)生的方法原理簡單，輸出波形事先通過離線的方式產(chǎn)生并存儲到只讀存儲器(ROM)中，工作時讀取ROM數(shù)據(jù)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生需要的波形。該方法可以通過事先測量激勵通道的失真來進行波形的預(yù)失真補償(但不能實時補償由于溫度等變化造成的失真)獲得較好的波形輸出；對于需要產(chǎn)生任意帶寬、脈寬和調(diào)制方式的場合，這種波形產(chǎn)生的方法將不再合適，因為對于寬帶波形產(chǎn)生，DAC轉(zhuǎn)換速率比較高，因此需要存儲的數(shù)據(jù)量將非常巨大，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或閃存(FLASH)的存儲空間將無法滿足要求，

此時需要將波形數(shù)據(jù)存儲到上位計算機中，然后在工作間隙通過高速接口(光接口)在線更新波形數(shù)據(jù)來獲得任意波形。

基于DDS的波形產(chǎn)生方法可以直接使用具有DDS功能的ASIC芯片或基于FPGA加DAC的方式來實現(xiàn)，該方法可以實時產(chǎn)生成像雷達需要的任意波形。常規(guī)DDS功能框圖如圖 2所示，包括頻率調(diào)制、相位累加和調(diào)制、相位幅度轉(zhuǎn)換、逆Sinc函數(shù)補償、幅度調(diào)制等幾個部分[3]。

圖2　DDS原理功能框圖

為了直接獲得射頻信號的輸出，目前高速DAC具有跨Nyquist域模式，跨Nyquist域DAC是通過將傳統(tǒng)DAC改為四開關(guān)DAC來實現(xiàn)，通過四開關(guān)結(jié)構(gòu)DAC可實現(xiàn)模擬混頻功能，該模式下時鐘信號每半個周期內(nèi)混頻信號的幅值在正幅值和負幅值間波動，這樣DAC混頻信號輸出頻率等于時鐘頻率加上或減去輸入數(shù)字信號的頻率，實現(xiàn)跨Nyquist域信號輸出。當DAC轉(zhuǎn)換時鐘為2.4 GHz時可以直接獲得0 Hz～2.4 GHz頻帶信號的直接輸出。圖 3給出了DAC轉(zhuǎn)換波形圖和DAC輸出頻譜特性。

圖 3　DAC轉(zhuǎn)換波形圖和DAC輸出頻譜特性

基于FPGA的高速寬帶DDS設(shè)計時，其DAC轉(zhuǎn)換時鐘可以高達GHz以上，而目前FPGA速度還無法實現(xiàn)GHz以上的速度直接運算，因此目前的實現(xiàn)方法是通過DDS輸出數(shù)字樣本信號時間交織的并行實現(xiàn)結(jié)構(gòu)來降速處理，以獲得高速寬帶DDS。對于L倍并行實現(xiàn)的DDS模塊，采用并行結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)DDS 算法模塊，其調(diào)節(jié)參數(shù)計算與常規(guī)DDS模塊完全一致，因此產(chǎn)生的信號和常規(guī)DDS結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的完全一樣，信號性能指標沒有變化；同時只要FPGA高速串口數(shù)量和速度滿足DAC接口的需求，可以使用該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與任意速度DAC相匹配的數(shù)字DDS核。

本方案采用基于FPGA的并行DDS加高速DAC的方式來實現(xiàn)寬帶波形的任意產(chǎn)生，F(xiàn)PGA選擇XILINX公司的高性能V7 系列芯片XC7VX485T，滿足并行DDS以及后續(xù)采集和數(shù)字接收DDC濾波對資源的需求；DAC選擇成熟應(yīng)用的ADI公司2.5 GHz 14 bit具有跨Nyquist域功能的DAC/AD9739，在2.4 GHz轉(zhuǎn)換速率下可以直接輸出L波段、帶寬700 MHz的中頻信號。后級經(jīng)過二倍頻實現(xiàn)帶寬1 400 MHz的激勵波形信號。

2.2頻率源抗振設(shè)計

為滿足系統(tǒng)的相干積累處理和動目標檢測，雷達頻綜器需要具有很高的頻率穩(wěn)定度，包括長穩(wěn)和短穩(wěn)。由于系統(tǒng)需要同時輸出多路高穩(wěn)信號，方案采用直接合成方式實現(xiàn)系統(tǒng)所需的時鐘和本振信號，同時選用具有寬頻譜抗振動、低相噪、高穩(wěn)定的恒溫抗振鎖相晶振作參考源。頻綜器選用100 MHz鎖相晶振作參考源，通過頻率合成產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時鐘和本振信號。

為提高頻綜器模塊的抗振能力，設(shè)計時從以下幾個方面綜合考慮：

(1) 在頻綜器模塊中晶體振蕩器對振動最為敏感，晶體振蕩器在振動條件下，其諧振腔的諧振頻率隨外界振動加速度發(fā)生變化，這種變化表現(xiàn)為振動加速度的變化頻率對晶體振蕩器的輸出信號進行角度調(diào)制，其調(diào)制度由加速度敏感度和振動量級共同決定。在實際振動環(huán)境中，晶體振蕩器所承受的加速度是隨機振動，即振動功率是隨機分布在頻率、相位、幅度的一個范圍內(nèi)，使得晶體振蕩器的輸出信號頻譜純度惡化。選用寬頻譜抗振動、低相噪、高穩(wěn)定的鎖相晶振作參考源，其指標及抗振要求如下：

頻率：100 MHz；

靜態(tài)相位噪聲：1 kHz處，-150 dBc/Hz；10 kHz處，-160 dBc/Hz。

該晶體振蕩器選用具有對振動相對不敏感的SC切型晶體設(shè)計。

(2) 選取了晶振后，對整個晶振模塊采取優(yōu)化抗振結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常關(guān)鍵的。由于機載雷達體積小，頻綜器模塊內(nèi)部安裝空間有限，晶振減振結(jié)構(gòu)設(shè)計選用小體積、適合于晶振結(jié)構(gòu)的減振器。該減振器為小型化橡膠阻尼減振器，具有一定的阻尼系數(shù)和強度，既能承受晶振自身的重量，對晶振起固定作用；又能對振動有最大限度的緩沖，并適宜于小體積結(jié)構(gòu)安裝。減振器分別安裝在晶振的四角，晶振通過4個減振器固定在頻綜器模塊的底板上，采用四角安裝減振器可實現(xiàn)最好的抗振效果。

(3) 頻綜器模塊中VCO對振動也較為靈敏，由于VCO電路是混合集成，并且其腔體是開放結(jié)構(gòu)，通過4個M2螺釘將VCO電路陶瓷基板固定在銅底板上，然后安裝在頻綜器模塊盒體中。在振動中，蓋板、銅底板的顫動都會影響VCO振蕩器的輸出信號，為了減小這種顫動，將陶瓷基片與銅底板的固定采用焊接形式，并且在蓋板上增加固定螺釘?shù)臄?shù)量，從而提高VCO的抗振能力。

(4) 晶振采用了減振結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種減振結(jié)構(gòu)只是一級減振。在實際應(yīng)用中，對整個頻綜器模塊內(nèi)部安裝小型減振支架作為一級減振，整個模塊實現(xiàn)兩級減振。

晶體振蕩器相位噪聲的典型值為： Lφi(1 kHz)≤-150dBc/Hz；Lφi(10 kHz)≤-160dBc/Hz。

對于直接合成頻率源，其相噪理論值為：

(1)

以合成器的本振FLO為例，N=60，則其相位噪聲功率譜密度為：Lφo(1 kHz)≈-112 dBc/Hz；Lφo(10 kHz)≈-122 dBc/Hz。

根據(jù)工程經(jīng)驗，因電路失諧和電源干擾等因素，其實際相噪附加值約7～9 dB，因此對于本振其相位噪聲功率譜密度為：Lφo(1 kHz)≈-103 dBc/Hz；Lφo(10 kHz)≈-113 dBc/Hz。

實際測試Lφo(1 kHz)為-102 dBc/Hz。

2.3寬帶接收機的設(shè)計

數(shù)字變頻和接收相對模擬接收解調(diào)有很多優(yōu)勢，但由于數(shù)字處理器件的局限，現(xiàn)在還不能實現(xiàn)寬帶的數(shù)字變頻和接收[4]。在X波段SAR工作模式下，對于1 400 MHz帶寬的回波信號來說，采取高中頻解調(diào)方式，回波信號先進行下變頻到中頻S波段，然后在S波段進行模擬解調(diào)。X波段SAR接收機框圖如圖4所示。

圖4　X波段SAR接收機框圖

寬帶接收機設(shè)計需充分考慮以下幾方面的問題：

(1) 寬帶正交解調(diào)器的優(yōu)選；

(2) 合理解決匹配濾波器的實現(xiàn)和增加接收系統(tǒng)復雜程度之間的矛盾；

(3) 抑制各種噪聲和干擾，提高接收系統(tǒng)的靈敏度；

(4) 減小器件的各種非線性和合理分配系統(tǒng)增益，提高系統(tǒng)的線性動態(tài)范圍。

根據(jù)以上分析，考慮到發(fā)射信號波形帶寬最寬為1 400 MHz，X波段SAR接收機接收帶寬設(shè)計為最寬1 680 MHz。正交解調(diào)器提取了回波信號的幅度和相位信息，為系統(tǒng)提供最大的相干性，提高了系統(tǒng)信號處理增益，同時解決了單個相位檢波器存在盲相和無法識別目標多普勒速度方向的問題。圖5是寬帶正交解調(diào)器實現(xiàn)原理電路框圖[5]。

由于該正交解調(diào)器工作頻率很高，帶寬很寬，使用常規(guī)分立器件合成難以滿足要求，因此選用集成器件來實現(xiàn)框圖中的虛線部分，在保證性能的同時也大大縮小了體積。在正交解調(diào)器后級設(shè)計具有切比雪夫原型的低通濾波器，以滿足輸出信號帶內(nèi)良好平坦度和帶外高抑制的要求，從而實現(xiàn)系統(tǒng)指標。

圖5　正交解調(diào)器原理框圖

寬帶IQ正交解調(diào)器可實現(xiàn)指標為：

I/Q帶寬為：DC～700 MHz

I/Q輸出帶內(nèi)幅度波動：≤±0.5 dB

I/Q輸出P-1：≥0 dBm

I、Q輸出幅度不平衡度為：≤±1 dB

I、Q輸出相位不正交度為：≤±2.5°

2.44路窄帶接收通道間幅相一致性指標分析

窄帶接收通道采用射頻接收前端加數(shù)字接收機的接收方式，4路窄帶通道同時接收，對幅相一致性要求高。通道間幅相一致性不滿足要求時，通道失配，會導致波束形成的副瓣電平升高。通道間滿足幅相一致性要求時，雷達才能實現(xiàn)對目標的穩(wěn)定跟蹤。如果對4路通道接收的脈沖信號進行相干處理，對通道相位一致性要求更高。

通道間相位一致性，首先取決于每個通道的相位特性，保證每個通道帶內(nèi)相位波動小，各通道相位特性曲線一致，群延遲起伏小，這樣通道間的相位一致性誤差才能保證較小。

為了滿足要求，需要從電路設(shè)計和工藝實現(xiàn)兩方面進行考慮。圖6是接收機的組成框圖，從圖中可看出高指標的開關(guān)濾波器組、射頻靈敏度時間控制(STC)放大器、中頻自動增益控制(AGC)放大器是保證接收通道幅相一致性指標的關(guān)鍵。

圖6　X波段MTI接收機框圖

因此，在接收通道設(shè)計中應(yīng)充分考慮以下幾個方面的問題：

(1) 開關(guān)濾波器組的優(yōu)選；

(2) 放大器與開關(guān)濾波器組的匹配設(shè)計；

(3) 抑制各種噪聲和干擾，提高接收系統(tǒng)的靈敏度；

(4) 減小器件的各種非線性和合理分配系統(tǒng)增益，提高系統(tǒng)的線性動態(tài)范圍。

從加工工藝來說, 影響相位一致性的因素主要有微帶板的焊接工藝原因?qū)е挛О邂F透率有差異，導致接地不好；微帶板機加工精度不夠引起尺寸精度達不到要求；電裝引入的誤差。在加工中需要針對這幾方面采取措施，保證加工的一致性。

通過以上分析，本系統(tǒng)4路窄帶通道接收機通過采用共性設(shè)計，即4路相同的設(shè)計和布版，4路相同的工藝實現(xiàn)，有利于實現(xiàn)多通道的幅相一致性，有利于在AD采集后以其中一路為基準對其他各通道分別進行補償校正。其具有集成度高、重量輕、幅相一致性好的特點。

4路子通道接收機能達到的技術(shù)指標為：

(1) 射頻信號總帶寬1 200 MHz，一本振跳頻工作，中頻信號帶寬80 MHz；

(2) 通道間幅度不一致性：≤±1 dB；

(3) 通道間相位不一致性：≤±10°。

3實驗結(jié)果

目前該接收系統(tǒng)已完成研制，經(jīng)過了可靠性實驗和機載飛行實驗。所達到的技術(shù)指標如下：

工作頻率：X波段；

工作體制：SAR和MTI；

系統(tǒng)工作帶寬：1 400 MHz，800 MHz，400 MHz，100 MHz等；

本振相噪：≤-102 dBc/Hz；

動態(tài)范圍：≥85 dB；

脈內(nèi)信噪比：≥55 dB；

體積：100 mm×100 mm×366 mm；

重量：4 kg。

4結(jié)束語

一體化X波段接收系統(tǒng)是機載雷達重要的組成部分，它的體積、重量和功能直接影響雷達系統(tǒng)的性能，研制的一體化接收系統(tǒng)指標性能均滿足無人機載雷達需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

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Integrative X-Band Airborne Radar Receiving System

YUAN Tong-li，SHU Yong-jiang，WU Xiao-bao

(East China Research Institute of Electronic Engineering，Hefei 230088，China)

Abstract:This paper introduces the integrative X-band unmanned aerial vehicle-based radar receiving system,expatiates the composing and implementation method of the receiving system,discusses the key technologies in the design,presents the actual application of receiving system.

Key words:integrative system；X-band；receiving system

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.010

中圖分類號：TN957.5

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)01-0050-04

收稿日期:2015-11-29