胡善祥 王 強(qiáng) 高 菡 伍小保 朱文松 王 冰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所合肥 230088)

接收發(fā)射技術(shù)

一種UHF波段8通道數(shù)字陣列模塊設(shè)計(jì)

胡善祥 王 強(qiáng) 高 菡 伍小保 朱文松 王 冰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所合肥 230088)

介紹了采用高精度數(shù)字延時(shí)補(bǔ)償和一次有源混頻方式的UHF波段8通道數(shù)字陣列模塊，其內(nèi)部集成8個(gè)相互獨(dú)立的模擬收發(fā)通道、8通道數(shù)字接收、8通道數(shù)字波形產(chǎn)生，以及本振功分器、時(shí)鐘分配器、分布式電源、數(shù)據(jù)傳輸和光電轉(zhuǎn)換等部分，其單通道發(fā)射輸出脈沖峰值功率大于180W，脈內(nèi)信噪比大于55dB，脈沖頂降小于1dB，接收噪聲系數(shù)小于2.0dB，接收信噪比大于55dB，通道間隔離度大于30dB。該數(shù)字陣列模塊集成度高、接口簡(jiǎn)潔、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、可靠性高，現(xiàn)已批量應(yīng)用于某遠(yuǎn)程預(yù)警相控陣?yán)走_(dá)。

數(shù)字陣列模塊;UHF波段;數(shù)字陣列雷達(dá);數(shù)字收發(fā)

0 引 言

數(shù)字陣列模塊(DAM)是采用集成化和數(shù)字化技術(shù)，將射頻收發(fā)單元、本振功分單元、中頻數(shù)字收發(fā)單元、分布式電源、集中式電源、分布式參考源等功能電路整合并一體化設(shè)計(jì)，完成雷達(dá)數(shù)字化收發(fā)、數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)傳輸功能的新型多通道收發(fā)模塊，數(shù)字陣列模塊是數(shù)字陣列雷達(dá)(DAR)的基本單元，它的體積、重量、成本、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［1－3］。本文介紹的DAM包含8個(gè)相互獨(dú)立的模擬收發(fā)通道、8通道數(shù)字接收機(jī)、8通道數(shù)字波形產(chǎn)生，以及本振功分器、時(shí)鐘分配器、分布式電源、數(shù)據(jù)傳輸和光電轉(zhuǎn)換等部分;具有多通道高密度集成、全數(shù)字收發(fā)一體、緊湊的三維布局、接口簡(jiǎn)潔、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn)，在防空、反導(dǎo)、預(yù)警雷達(dá)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 DAM設(shè)計(jì)與分析

數(shù)字陣列雷達(dá)不僅具有常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)的所有優(yōu)良性能，同時(shí)具有更大的波束調(diào)度靈活性、更好的抗有源干擾性能，數(shù)字陣列雷達(dá)的發(fā)展需要高性能、高集成、低成本的DAM，本DAM的設(shè)計(jì)采用模塊化、集成化的設(shè)計(jì)思路，將8個(gè)基本收發(fā)通道單元采用緊湊的三維結(jié)構(gòu)布局方式構(gòu)造成一個(gè)DAM。該DAM有8個(gè)獨(dú)立的收發(fā)模擬通道;數(shù)字接收和數(shù)字波形產(chǎn)生8通道一體化設(shè)計(jì)，共用一個(gè)PCB板;上下變頻所需的本振信號(hào)由一根電纜輸入，然后功分到8個(gè)通道;基準(zhǔn)時(shí)鐘、DDS采樣時(shí)鐘和ADC?采樣時(shí)鐘由一根電纜輸入，在DAM內(nèi)部實(shí)現(xiàn)分路;電源采用集中28V輸入，在DAM內(nèi)部完成DC/DC變換。結(jié)構(gòu)布局上，DAM正面為8路模擬收發(fā)通道，背面為分配網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字收發(fā)板，中間為散熱水道。UHF波段8通道DAM組成框圖如圖1所示。

圖1 UHF波段8通道DAM組成框圖

其中由小型化的發(fā)射功率模塊、限幅低噪聲放大模塊、一次有源混頻模塊組成的模擬收發(fā)通道與一體化數(shù)字收發(fā)為該DAM的核心組成部分，下面將對(duì)每個(gè)核心功能單元的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

(1)小型化的發(fā)射功率模塊

發(fā)射功率模塊由三級(jí)放大鏈路組成，末級(jí)采用國(guó)產(chǎn)的200WLDMOS功率管，通過(guò)三維立體布局、優(yōu)化匹配電路，設(shè)計(jì)高增益、小型化的固態(tài)功率模塊。發(fā)射功率模塊的尺寸為60mm×40mm× 16mm，具有體積小、可靠性高、易維修、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

功率模塊具有控制、保護(hù)功能，可以實(shí)現(xiàn)遙控開關(guān)機(jī)，每路可以單獨(dú)控制。在接收工作期間，功率模塊各級(jí)放大器處于關(guān)斷狀態(tài)，提高收發(fā)環(huán)路穩(wěn)定性的同時(shí)保證了接收通道的噪聲電平穩(wěn)定;在發(fā)射正常工作狀態(tài)，送出發(fā)射功率是否低于門限值的脈沖指示信號(hào)。發(fā)射功率模塊的主要技術(shù)指標(biāo)為:

①工作頻率:UHF波段

②輸出功率:≥200W

③脈沖頂降:≤1.0dB

④最大脈寬:≥15ms

⑤最大工作占空比:≥33%

(2)限幅低噪聲放大模塊

DAM發(fā)射通道輸出功率大于180W，由于天線陣面分布大量的收發(fā)組件，雷達(dá)工作時(shí)進(jìn)行電掃描，以及存在其它電磁反射現(xiàn)象，在天線陣面上工作的限幅低噪聲放大器的耐功率要遠(yuǎn)大于180W;為提高可靠性，縮短限幅時(shí)間，限幅低噪聲放大模塊采用半有源、平衡式方式實(shí)現(xiàn)，具有駐波小，抗同步、異步燒毀能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。接收限幅低噪聲放大模塊的主要技術(shù)指標(biāo)為:

①工作頻率:UHF波段

②增益:≥35dB

③噪聲系數(shù):≤1.2dB

④承受峰值功率:400W

⑤開關(guān)時(shí)間:≤1μs

⑥限幅電平:≤13dBm

限幅低噪聲放大模塊內(nèi)部還集成了LC帶通濾波器，濾除帶外強(qiáng)干擾信號(hào)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

(3)一次有源混頻模塊

一次有源混頻模塊是DAM實(shí)現(xiàn)頻率變換功能的模塊，包括用于發(fā)射支路的上變頻和用于接收支路的下變頻，主要由UHF波段SiGe－BiCMOS收發(fā)一體化變頻芯片、射頻開關(guān)、中頻濾波器等組成，采用FR4多層印制板實(shí)現(xiàn)高集成度變頻電路。一次有源混頻模塊采用多功能收發(fā)一體化變頻單芯片實(shí)現(xiàn)收發(fā)變頻放大，不僅集成度較高，可靠性也得到大幅度提高;模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的SMT工藝，提高了生產(chǎn)成品率，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。一次有源混頻電路原理框圖及實(shí)物照片分別如下圖所示:

圖2 一次有源混頻電路原理框圖

圖3 一次有源混頻模塊實(shí)物照片

一次有源混頻模塊實(shí)現(xiàn)上下變頻處理，集成接收、發(fā)射通道、收發(fā)切換開關(guān)以及端口匹配元件。接收通道集成鏡像抑制混頻器、低通濾波器、可變?cè)鲆娣糯笃骱椭蓄l功率放大器;發(fā)射通道由可變?cè)鲆娣糯笃?、邊帶抑制上變頻器和射頻放大器器組成。收發(fā)通道增益可由數(shù)字增益管腳進(jìn)行編程控制。收發(fā)通道均采用雙平衡的鏡像抑制混頻器，本振泄露較低，此外可以實(shí)現(xiàn)大于30dB的鏡像和邊帶抑制度。一次有源混頻模塊的技術(shù)指標(biāo)如表1所示:

(4)一體化數(shù)字收發(fā)

一體化數(shù)字收發(fā)應(yīng)用FPGA、DDS和多通道ADC，在一塊印制板上實(shí)現(xiàn)8通道的數(shù)字化接收機(jī)和8通道的數(shù)字波形產(chǎn)生器。基于軟件無(wú)線電思想在中頻數(shù)字化、數(shù)字解調(diào)產(chǎn)生基帶I/Q信號(hào)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要包括抗混疊濾波器、中頻采樣ADC、基于FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)字下變頻(DDC)和數(shù)字波束形成(DBF)處理、光纖通信接口等。

表1 一次有源混頻模塊的技術(shù)指標(biāo)

數(shù)字接收機(jī)實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)字化接收，形成數(shù)字基帶I/Q信號(hào)，完成數(shù)據(jù)高速傳輸。同時(shí)完成高精度閉環(huán)跟蹤模式下的和波束、方位差波束及仰角差波束初級(jí)合成。

數(shù)字化波形產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的不同脈寬、帶寬中頻信號(hào)的產(chǎn)生;在寬帶工作模式下完成收發(fā)孔徑渡越時(shí)間補(bǔ)償;并具有雷達(dá)發(fā)射波形的脈前脈后頻率掩護(hù)和可編程等功能。

a)基于FPGA技術(shù)的數(shù)字接收機(jī)

對(duì)于數(shù)字化接收，目前廣泛采用基于軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)思想的數(shù)字化接收機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字正交解調(diào)，用于實(shí)現(xiàn)解調(diào)的電路被稱為 DDC(Digital Down－Converter)，具有NCO及可編程高效數(shù)字濾波器，因此在采樣時(shí)鐘確定的情況下，可在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種帶寬信號(hào)的解調(diào)和匹配濾波?；緦?shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)字I/Q正交解調(diào)實(shí)現(xiàn)框圖

b)基于DDS技術(shù)的數(shù)字波形產(chǎn)生

基于DDS的相位控制和波形產(chǎn)生是數(shù)字收發(fā)單元的關(guān)鍵技術(shù)之一，相控陣?yán)走_(dá)的工作方式要求雷達(dá)信號(hào)具有多種波形形式，需要改變信號(hào)的頻率、脈寬、帶寬等參數(shù)，這就要求雷達(dá)的波形形成非常靈活，而 DDS恰能滿足這一要求［4－5］。DDS的基本原理框圖如圖5所示。

圖5 DDS基本原理框圖

從理論上講DDS可以產(chǎn)生任意的信號(hào)波形，也就是說(shuō)DDS技術(shù)可以直接對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)波形參數(shù)(如頻率、相位、幅度)中的一個(gè)、二個(gè)或三個(gè)同時(shí)進(jìn)行直接調(diào)制。以調(diào)頻為例，對(duì)于一個(gè)DDS系統(tǒng)其輸出頻率由下式給出: (1)

式中:k為頻率控制字，fclock為DDS輸入時(shí)鐘頻率，n為相位累加器的位數(shù)。

對(duì)于給定的DDS，相位累加器的位數(shù)是一個(gè)固定值，當(dāng)輸入時(shí)鐘頻率設(shè)定后，其輸出頻率隨控制字k而變化。所以只要使頻率控制字k按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律進(jìn)行改變就可實(shí)現(xiàn)所需要的調(diào)頻信號(hào);同時(shí)通過(guò)相位累加器和正弦函數(shù)表之間的數(shù)字加法器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的精確相位控制。

由上式可知，傳統(tǒng)的DDS結(jié)構(gòu)，其輸出頻率為工作時(shí)鐘fclock的分頻，理論上最大輸出頻率fout= fclock/2，本系統(tǒng)采用DDS工作時(shí)鐘頻率為400MHz，輸出以fout中心頻率帶寬為B的數(shù)字信號(hào);其相位控制碼為14 bit，理論上移相精度可達(dá)到:(360°/ 214)≈0.02°。

在搜索模式下，因?yàn)樾盘?hào)帶寬窄，孔徑渡越及頻率色散現(xiàn)象可以忽略，因此DAM直接將陣元級(jí)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給信號(hào)處理系統(tǒng)，并由信號(hào)處理系統(tǒng)完成多個(gè)接收波束的形成，同時(shí)DAM接收信號(hào)處理系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的各個(gè)陣元的相位分布，實(shí)時(shí)產(chǎn)生發(fā)射波形，通過(guò)上變頻后輻射至空間，在空間中形成期望的發(fā)射波束。

在跟蹤模式下，當(dāng)陣列天線的掃描角度較大時(shí)，存在孔徑渡越及頻率色散現(xiàn)象，此時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)將每一個(gè)DAM所需的數(shù)字延遲時(shí)間量傳送給DAM，并由DAM完成高精度的時(shí)間延遲以修正孔徑渡越及頻率色散現(xiàn)象。設(shè)中心頻率為f0，信號(hào)帶寬為B，脈沖寬度為T0，延時(shí)為t0的線性調(diào)頻信號(hào)實(shí)部表達(dá)式為:

若延時(shí)為0，則有:

若初始頻率為fi、初始相位為φi，則線性調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式可改寫為:

如令:

比較上面公式，可以看出通過(guò)補(bǔ)償初始頻率和初始相位的方法，線性調(diào)頻信號(hào)的延時(shí)可以得到精確補(bǔ)償。

DAM中8通道一體化數(shù)字收發(fā)模塊如圖6所示。

圖6 8通道一體化數(shù)字收發(fā)模塊圖

2 DAM性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

數(shù)字陣列模塊的外形尺寸為 610×160× 55mm3，重量約8.5kg。我們對(duì)DAM的各項(xiàng)具體指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，單通道發(fā)射輸出脈沖峰值功率大于180W，發(fā)射脈內(nèi)信噪比大于55dB，脈沖頂降小于1dB，通道接收噪聲系數(shù)小于2.0dB，接收信噪比大于55dB，通道間隔離度大于30dB，DAM效率大于30%，部分測(cè)試結(jié)果如圖7～10所示:

圖7 通道發(fā)射輸出功率測(cè)試結(jié)果

收發(fā)通道的幅相穩(wěn)定性對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的系統(tǒng)性能至關(guān)重要，也是DAM設(shè)計(jì)中需要考慮的重要環(huán)節(jié)，我們采用收發(fā)自閉環(huán)的方式，對(duì)DAM的幅度和相位穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明DAM的幅度穩(wěn)定性小于0.1dB(rms)，相位穩(wěn)定性小于2°(rms)。

對(duì)于大型陣列天線，隨機(jī)誤差需要用統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行分析，有誤差的副瓣電平在概率上服從為Rice分布［6］，假設(shè)天線單元無(wú)方向性，且幅、相誤差的方差與波束掃描角度無(wú)關(guān)，則:

圖8 通道發(fā)射脈內(nèi)信噪比測(cè)試結(jié)果

圖9 接收單通道噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖10 接收信噪比測(cè)試結(jié)果

假設(shè)天線效率為90%，有效單元數(shù)為1024時(shí)，由上述公式可知，DAM的0.1dB(rms)幅度穩(wěn)定性，2°(rms)相位穩(wěn)定性引起副瓣電平惡化小于0.01dB，引起的天線波束指向誤差很小，可忽略。

3 結(jié) 論

本文介紹了一種采用高精度數(shù)字延時(shí)補(bǔ)償和一次有源混頻方式的UHF波段8通道數(shù)字陣列模塊，其內(nèi)部集成8個(gè)相互獨(dú)立的模擬收發(fā)通道、8通道數(shù)字接收、8通道數(shù)字波形產(chǎn)生，以及本振功分器、時(shí)鐘分配器、分布式電源、數(shù)據(jù)傳輸和光電轉(zhuǎn)換等部分，具有集成度高、接口簡(jiǎn)潔、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、可靠性高等技術(shù)特點(diǎn)，在防空、反導(dǎo)、預(yù)警雷達(dá)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］［美］James Tsui.寬帶數(shù)字接收機(jī)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［2］吳曼青.數(shù)字陣列雷達(dá)及其進(jìn)展［J］.中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2006，1(1):11－16.

［3］吳曼青.數(shù)字陣列雷達(dá)的發(fā)展與構(gòu)想［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2008，6(6):401－405.

［4］Cantrell B，et al.Development of a Digital Array Radar (DAR)［J］.IEEE Aerospace and Electronic Syst ems Magazine，2002，17(3):22－27.

［5］TavikG C，Hilterbrick C L，Evins J B.The Advanced Multifunction RF Concept［J］.Transactions onMicrowave Theory and Techniques，2005，53(3):1009－1020.

［6］張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1994.

Design of a UHF－band 8－channel Digital Array Module

Hu Shanxiang，Wang Qiang，Gao Han，Wu Xiaobao，Zhu Wensong，Wang Bing
(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088)

A UHF－band 8－channel digital array module by using high－precision digital－delay compensation and once active mixing is introduced，in which parts like 8 independent analog transceiving channels，8－channel digital receiving，8－channel digital waveform generating and LO power dividers，clock dividers，distributed power supply，data transfer，photoelectric conversion etc.are integrated.Pulse output peak power transmitted by a single channel is greater than 180 W，SNR within pulse is more than 55 dB，pulse top drop less than 1 dB，NF of receiving less than 2.0 dB，SNR of receiving more than 55dB，inter－channel isolation more than 30 dB.The digital array module is featured with high level of integration，simple interface，stable performance，favorable environment adaptability and high reliability.It is batch applied in a long－distance warning phased array radar.

digital array module;UHF－Band;digital array radar;digital transceiver

TN957;TN958

A

1008-8652(2016)04-069-05

2016-07-18

胡善祥(1974－)，男，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)橄嗫仃嚴(yán)走_(dá)收發(fā)技術(shù)。