商林峰，李　健，裴　英，蔡曉波

(南京電子技術(shù)研究所,　南京 210039)

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·收/發(fā)技術(shù)·

車載雷達多通道一體化數(shù)字接收機設(shè)計

商林峰，李健，裴英，蔡曉波

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

數(shù)字接收機是數(shù)字陣雷達系統(tǒng)的核心模塊之一，其性能指標影響整部雷達的目標探測性能。文中介紹一種運用于高機動車載雷達平臺的多通道一體化數(shù)字接收機，其采用一種全新的小型化、模塊化、高度集成化的設(shè)計方案。一體化接收機采用收發(fā)全數(shù)字集成化設(shè)計，收發(fā)信號形式和波形設(shè)計非常靈活；對外接口簡單，體積小、質(zhì)量輕、集成度高，電磁兼容性好，并具備在強振動沖擊條件下持續(xù)工作的能力。

數(shù)字接收機；車載雷達；多通道；一體化

0　引　言

相比固定站雷達，車載平臺的搜索雷達具備更好的機動性和靈活性，在保持對空中目標探測能力的同時，可有效地避免敵方的精確打擊?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭對機動作戰(zhàn)需求越來越高，車載雷達也成為軍用雷達技術(shù)發(fā)展的一個重要方向[1]。

機動作戰(zhàn)需要車載雷達能夠行進間作戰(zhàn)，這給雷達系統(tǒng)帶來了很多前所未有的困難：(1)高機動車載系統(tǒng)受平臺影響，必然要求體積小、質(zhì)量輕、集成度高、設(shè)備量少；(2)由于平臺具備高機動性能，設(shè)備外部使用環(huán)境復(fù)雜，高低溫差大，沖擊振動極為劇烈，需滿足苛刻的使用條件；(3)車載系統(tǒng)空間小，電子設(shè)備多，需做到完備的電磁兼容性以避免相互之間的干擾；(4)車體姿態(tài)的不斷變化，需具備對雷達參數(shù)實時修正的能力，以確保目標跟蹤效果；(5)全自動BIT檢測，快速定位故障，在車載小空間內(nèi)具備快速便捷的維修更換手段。當這些困難集中到一起后，問題將變得很棘手，影響最大的莫過于具備高靈敏度的雷達接收機。

一部車載雷達，其接收機性能的好壞基本上決定了整部雷達的目標探測性能，本文將介紹一種運用于高機動車載平臺的多通道一體化數(shù)字接收機。其采用收發(fā)全數(shù)字集成化設(shè)計，收發(fā)信號形式和波形設(shè)計非常靈活；對外接口簡單，體積小、質(zhì)量輕、集成度高，電磁兼容性好，并具備在強振動沖擊條件下持續(xù)工作的能力。

1　設(shè)計原理

由于多通道一體化數(shù)字接收機工作在S波段，按照低通采樣定理的要求，模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)的采樣頻率要大于被采樣信號頻率的2倍，如果直接在射頻按此要求進行采樣，現(xiàn)有器件根本無法滿足其要求，而帶通采樣技術(shù)正好解決了這個問題。

假設(shè)模擬帶通信號x(t)，其頻帶限制在(fL，fH)范圍內(nèi)，如果采樣頻率fS滿足

2fL/(M-1)≥fS≥2fH/M(M為正整數(shù))

(1)

則用fS進行等間隔采樣所得到的信號采樣值可完全代表原帶通信號x(t)，通過一帶通濾波器即可重新恢復(fù)原帶通信號[2]。

對于接收機獲得的信號，需要提取的不僅有幅度信息，還要有相位信息，正交鑒相正是同時獲取二者的有效方法[3]。目前正交鑒相技術(shù)采用較多的是數(shù)字正交鑒相技術(shù)，可實現(xiàn)較高的IQ精度和穩(wěn)定度。圖1給出了常用的數(shù)字下變頻原理框圖，數(shù)字下變頻主要由數(shù)字振蕩器(NCO)、數(shù)字乘法器、積分梳狀濾波器(CIC濾波器)以及有限沖擊響應(yīng)濾波器(FIR濾波器)組成[4]。

圖1　數(shù)字下變頻原理框圖

現(xiàn)代雷達不僅需要截獲和跟蹤目標，還要對目標進行識別、分辨以及成像，需要的波形復(fù)雜多樣，采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)可靈活實現(xiàn)各種波形。

DDS是基于波形存儲概念的頻率合成技術(shù)，主要構(gòu)成如圖2所示，它由四大基本部分構(gòu)成：相位累加器、相位/幅度轉(zhuǎn)換器(波形存儲器)、數(shù)模變換器以及低通濾波器[2]。改變頻率控制字的大小，就改變了在采樣間隔內(nèi)輸出至波形存儲器中的相位增量的大小，從而達到了改變合成信號頻率的目的。

圖2　直接數(shù)字頻率合成內(nèi)部原理框圖

2　關(guān)鍵技術(shù)

常規(guī)的車載雷達數(shù)字接收機一般采用插箱式，插箱里包含電源、頻率源、波形產(chǎn)生、通道組合等多個模塊，模塊間通過背板走線及射頻電纜實現(xiàn)互聯(lián)。插箱模塊眾多，體積龐大，質(zhì)量較大，且需獨立的冷卻風(fēng)機設(shè)備。現(xiàn)代的車載系統(tǒng)對機動作戰(zhàn)要求越來越高，為了裝配方便和使用靈活，對系統(tǒng)小型化設(shè)計要求越來越高，需要雷達做到設(shè)備量少、體積小、質(zhì)量輕，很明顯插箱式的數(shù)字接收機在體積、質(zhì)量等方面很難加以控制。

為了適應(yīng)車載雷達的新需求，本文提出了一種適用于車載平臺的多通道一體化數(shù)字接收機，采用了一種全新的小型化、模塊化、高度集成化的一體化設(shè)計方案，將常規(guī)的插箱式接收機模塊全部布局在一塊印制板上，印制板集成了16路全數(shù)字收發(fā)通道、頻率源、定時器和接收控制等。接收機除外部接口外沒有任何電纜連接，真正實現(xiàn)了系統(tǒng)的一體化設(shè)計。

多通道一體化數(shù)字接收機置于雷達天線陣面后密閉的高頻盒體內(nèi)，高頻盒體連同天線陣面可以在方位上轉(zhuǎn)動。高頻盒體有嚴格的體積、質(zhì)量和美觀要求，工作環(huán)境惡劣，無傳統(tǒng)的風(fēng)、液冷等散熱條件，且會受到車輛行進中的振動、沖擊、加速度與噪音等影響。因此，多通道一體化數(shù)字接收機不僅需要考慮小型化、模塊化設(shè)計，還需要考慮環(huán)境適應(yīng)性以及電磁兼容性設(shè)計。

2.1小型化、模塊化設(shè)計

多通道一體化數(shù)字接收機安裝在天線陣面后密閉的高頻盒體內(nèi)，高頻盒體有嚴格的體積、質(zhì)量和美觀要求。因此，接收設(shè)備需要體積小。為滿足雷達系統(tǒng)整機的需求，接收機設(shè)計必須小型化、輕型化，且需實現(xiàn)多路高速數(shù)模電路的集成化、模塊化。

運用多層介質(zhì)板設(shè)計技術(shù)與三維電磁場仿真優(yōu)化設(shè)計技術(shù)進行高速數(shù)?；旌隙嗤ǖ离娐返难兄疲?jīng)過多輪的理論分析和試驗驗證，充分利用多層板內(nèi)層實現(xiàn)射頻信號和控制信號的傳輸，替代傳統(tǒng)的多個電路模塊間大量線纜互連方式，解決了射頻信號間、數(shù)模信號間的串擾問題等一系列電磁兼容的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了多路高速數(shù)模電路的一體化、模塊化、小型化。

采用多層介質(zhì)板設(shè)計技術(shù)，多通道一體化數(shù)字接收機布局在一塊印制板上，接收機除外部接口外沒有任何電纜連接，真正實現(xiàn)了接收系統(tǒng)小型化、模塊化設(shè)計。印制板集成了16路全數(shù)字收發(fā)通道、頻率源、定時和接收控制等，不僅是數(shù)字模擬混合設(shè)計，且是多個分系統(tǒng)的集成。

2.2環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

多通道一體化數(shù)字接收機安裝在天線陣面高頻盒體內(nèi)，高頻盒體連同天線陣面可以在方位上轉(zhuǎn)動。高頻盒體內(nèi)工作環(huán)境惡劣，無傳統(tǒng)的風(fēng)、液冷條件，加上車輛行進中的振動與沖擊、加速度等，因此接收設(shè)備只有緊貼高頻盒體進行自然散熱。為滿足雷達系統(tǒng)整機的特別需求，接收機必須充分考慮減震及良好的散熱等措施，以適應(yīng)雷達惡劣的工作環(huán)境。

接收機需緊貼高頻盒進行自然散熱，因此散熱需要考慮印制板的熱設(shè)計，印制板由于損耗產(chǎn)生的熱量主要通過底面殼體帶走。其熱量轉(zhuǎn)移關(guān)系可用下式表示

H= -k×A×ΔT/L

(2)

式中：H為熱流；k為導(dǎo)熱系數(shù)；A為界面的面積；ΔT為溫差；L為傳熱途徑的長度(即印制板厚度)。因此，根據(jù)需要傳輸?shù)臒峁β?，合理選擇印制板基材(線條寬度、熱導(dǎo)率)，是實現(xiàn)微波印制板熱設(shè)計的要點。

印制板內(nèi)元器件由于損耗功率不同，散發(fā)熱量不同，設(shè)計時需把損耗功率大的元器件布局在不同方位，使得整個印制板熱量比較均勻，容易耗散。為了更好地傳導(dǎo)熱量，散熱多的元器件需加導(dǎo)熱襯墊與接收機安裝殼緊密接觸，通過殼體將熱量散發(fā)出去。接收機采用螺釘直接固定于高頻盒體上，之間采用導(dǎo)熱襯墊緊密接觸，從而保證接收機與高頻盒體良好接觸，減小接觸熱阻，便于熱量散發(fā)。

接收機性能指標中最易受震動惡化的是相位噪聲，為保證接收機震動環(huán)境條件下的性能指標，我們特別采用高質(zhì)量的恒溫晶振，并對晶振采取了減震措施。

2.3電磁兼容性設(shè)計

多通道一體化數(shù)字接收機將射頻高功率、射頻小信號、數(shù)字、控制、電源等多個單元電路集中于一塊電路板上，且需完成收、發(fā)、控制、變頻、DDS、數(shù)字下變頻(DDC)等眾多功能，大小信號之間、高低頻信號之間、數(shù)字信號與模擬信號之間、信號與電源之間極易產(chǎn)生相互干擾；并且雷達系統(tǒng)本身也會受到其他部件的干擾或干擾其他部件。因此，必須充分考慮電磁兼容問題。

多通道一體化數(shù)字接收機，設(shè)計采用嚴格的電磁屏蔽措施，對接收機采用金屬外殼及內(nèi)部分腔作為隔離屏蔽。為減小發(fā)射信號的輻射及空間信號對接收通道的影響，數(shù)字接收機與外部的射頻接口均采用同軸電纜連接。印制板元器件的布局按不兼容分割，并按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進行分組。各個功能單元對電源進行二次穩(wěn)壓，減小由電源引起的串擾。多層印制板射頻走線采用共面波導(dǎo)的形式，減小射頻信號的空間輻射。

3　一體化接收機硬件實現(xiàn)

多通道一體化數(shù)字接收機工作于S波段，根據(jù)恒溫晶振提供的時鐘產(chǎn)生需要的本振、各種時鐘信號；接收S波段雷達天線16路回波信號，完成回波信號的放大、濾波、下變頻、A/D采樣、數(shù)字下變頻、數(shù)據(jù)打包后送陣面數(shù)字波束形成(DBF)系統(tǒng)；DDS產(chǎn)生雷達所需的各種工作信號，經(jīng)上變頻、放大、濾波為雷達發(fā)射機提供符合要求的全數(shù)字激勵信號；接收雷達控制指令，并據(jù)此產(chǎn)生雷達系統(tǒng)所需的各種定時信號；并且具備機內(nèi)測試(BITE)系統(tǒng)檢查功能、多通道收發(fā)一致性的校準功能。

多通道數(shù)字接收機集成了16路全數(shù)字收發(fā)通道、頻率源、定時和接收控制等，其原理框圖如圖3所示。其中，兩個通道作為內(nèi)監(jiān)測通道，用于發(fā)射校準和接收校準。內(nèi)監(jiān)測通道設(shè)有模擬信號源，為接收機的檢測及整個雷達的檢測與調(diào)試提供了條件，它通過接收機前端定向耦合器輸入到數(shù)字接收機的各個通道,此信號也可作為接收通道的故障監(jiān)測信號。

圖3　多通道數(shù)字接收機原理框圖

3.1接收通道設(shè)計

接收通道可分為模擬通道和中頻數(shù)字正交兩部分?；夭ㄐ盘柺紫冉?jīng)T/R切換開關(guān)送到模擬通道，混頻產(chǎn)生適合AD采樣的中頻信號；然后，中頻數(shù)字正交部分完成AD采樣、數(shù)字下變頻；最后，由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)完成16路接收通道的A/D數(shù)據(jù)、定時及BITE打包后送DBF系統(tǒng)。

接收模擬通道完成一次變頻，將射頻信號下變頻為適合AD采樣的中頻信號。該通道由濾波器、放大器、數(shù)控衰減器、混頻器等組成，原理框圖如圖4所示。

圖4　接收通道原理框圖

中頻數(shù)字正交部分首先由AD進行中頻信號采樣；然后，在FPGA內(nèi)部通過NCO、CIC濾波、FIR濾波完成各通道的數(shù)字下變頻，產(chǎn)生IQ數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)截取時采用了截位，產(chǎn)生的IQ數(shù)據(jù)分析會帶有零漂，采用抑制零漂模塊減小零漂對結(jié)果的影響。

3.2激勵通道設(shè)計

現(xiàn)代雷達不僅需要截獲和跟蹤目標，還要對目標進行識別、分辨以及成像，需要的波形復(fù)雜多樣，采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)可靈活實現(xiàn)各種波形。

多通道一體化數(shù)字接收機由DDS在中頻域產(chǎn)生雷達所需的各種信號形式，然后通過一次上變頻、濾波和放大等，產(chǎn)生雷達發(fā)射機所需的激勵信號，激勵通道原理框圖如圖5所示。圖5中，DDS可根據(jù)移相碼進行靈活精密的移相功能。

圖5　激勵通道原理框圖

3.3頻率源設(shè)計

數(shù)字接收機的頻率源屬于直接數(shù)字頻率合成式。頻率源由標頻產(chǎn)生與頻率合成兩部分組成。

標頻產(chǎn)生以恒溫晶體振蕩器輸出為基準信號，通過倍頻、放大、濾波、功分等產(chǎn)生接收機需要的各種時鐘信號，原理框圖如圖6所示。需產(chǎn)生的時鐘信號主要有AD采樣時鐘、激勵通道DDS輸入時鐘以及頻率合成DDS輸入時鐘。

圖6　標頻產(chǎn)生原理框圖

頻率合成通過DDS、上變頻、濾波等產(chǎn)生需要的多頻點本振信號，原理框圖如圖7所示。該信號頻率受頻率控制碼控制，不同的時間只輸出對應(yīng)的一個本振信號，頻選的頻點經(jīng)功放放大后作為雷達的本振信號。

圖7　頻率合成原理框圖

4　測試結(jié)果

基于全新的小型化、高度集成化和自然散熱等一體化設(shè)計思路，本文研制了適用于車載雷達的多通道數(shù)字接收機。接收機體積小，其外形尺寸如圖8所示。印制板置于殼體中，完成全數(shù)字收發(fā)、頻率源、定時及控制等功能，集成度高。下面從噪聲系數(shù)、多通道幅相一致性以及通道隔離度等方面對接收機性能進行測試。由于實際上16個通道只采用了12個通道作為正常工作通道，下面測試均基于12通道進行測試。

圖8　接收機外形尺寸圖

噪聲系數(shù)是確定雷達接收機性能好壞的主要指標之一。目前噪聲系數(shù)主要是使用現(xiàn)成的噪聲系數(shù)測試儀進行測量。但對于本文的多通道一體化數(shù)字接收機，為了設(shè)計的方便，并未留中頻信號測試口，因此本文采用數(shù)字正交的方法測試噪聲系數(shù)[5]，此方法測試包含ADC的量化噪聲，測試結(jié)果如圖9所示。圖中橫坐標為系統(tǒng)工作的30個頻點，縱坐標為測出的噪聲系數(shù)，各個通道所有頻點的噪聲系數(shù)均小于15dB，滿足系統(tǒng)需求。

圖9　12通道噪聲系數(shù)測試結(jié)果

對于多通道一體化接收機，各通道間的幅相一致性至關(guān)重要。測試時使用功分器給各通道輸入相同射頻信號，在數(shù)字域記錄各通道的IQ值，以通道1為參考通道，分析其他通道相對于通道1的幅度和相位相對值。

圖10給出了12通道幅度一致性測試的結(jié)果，測試是基于同一頻點下測量得到的。從圖中可看出，幅度相差最大的兩個通道相對比值為1.1/0.89=1.23，對應(yīng)的dB值為1.8dB，滿足系統(tǒng)需求。

圖10　12通道幅度一致性測量結(jié)果

12通道相位一致性測量結(jié)果如圖11所示，圖中各通道相對通道1的相位基本為一固定值。對圖11結(jié)果進行修正，各通道與通道1相對相位減去固定相位差值，得到的結(jié)果如圖12所示。從圖12可看出，通道間相位一致性在±0.1°之間，可見多通道接收機具有很好的相位一致性。

圖11　12通道相位一致性測量結(jié)果

圖12　修正后12通道相位一致性測量結(jié)果

多通道數(shù)字接收機在單板上集成了16通道，通道間的互相干擾不可忽視，影響通道間隔離度的因素主要有兩個：信號的空間耦合；信號通過混頻器耦合至本振，再由本振功分器耦合至其他通道本振,混頻后中頻輸出。在本接收機一體化的設(shè)計中，各路接收機在物理上不可能分開，信號的空間耦合采用蓋板上特別設(shè)計的分隔條形成各個內(nèi)部腔體進行分隔。同時，射頻線印制布板時采用共面波導(dǎo)設(shè)計，盡量把耦合減到最小。

通道間隔離度測試有兩種：一是在其中一個通道注入測試信號，測試其他通道與注入信號通道幅度差；二是將所有通道通過功分器注入同一信號，然后將被測通道的注入信號取消，測試被測通道與其他通道的幅度差。本文采用方法二，任意選取3個頻點進行測試，得到如圖13所示的結(jié)果。從圖中可看出，通道隔離度要好于50dB，滿足系統(tǒng)指標需求。

圖13　通道隔離度測試結(jié)果

5　結(jié)束語

本文研究并設(shè)計了一種適用于車載雷達的多通道一體化數(shù)字接收機。接收機采用了全新的小型化、高度集成化和自然散熱等一體化設(shè)計，一塊印制板集成了16路全數(shù)字收發(fā)通道、頻率源、定時以及接收控制，滿足系統(tǒng)嚴格的體積、質(zhì)量和美觀要求。經(jīng)過測試，噪聲系數(shù)、多通道幅相一致性以及通道隔離度等都達到較好的指標，滿足系統(tǒng)的指標需求。

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商林峰男，1986年生，博士，工程師。研究方向為雷達接收技術(shù)。

李健男，1987年生，碩士。研究方向為雷達接收技術(shù)。

裴英女，1965年生，研究員級高級工程師。研究方向為雷達接收技術(shù)。

蔡曉波男，1980年生，高級工程師。研究方向為雷達接收技術(shù)。

Design of Multi-channel Integrated Digital ReceiverforVehicle-borneRadar

SHANG Linfeng，LI Jian，PEI Ying，CAI Xiaobo

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nangjing 210039, China)

Theperformanceofdigitalreceiver,oneofthecoremodulesindigitalarrayradar,influencesthetargetdetectionperformanceofthewholeradar.Inthispaper,amulti-channelintegrateddigitalreceiverdesignedforhigh-maneuvervehiclesystemispresented,inwhichanewdesignwithminiaturization,modularizationandintegrationisemployed.Thedigitizationinbothreceiverandtransmitterisadoptedintheintegratedreceiver,whichmakesthesignalformandwaveformdesignflexible.Withtheadvantagesofsimplestructure,smallvolume,lightweight,highintegrationandgoodelectromagneticcompatibility,theintegratedreceivercankeepworkingunderthestronglyvibrationalconditions.

digitalreceiver;vehicle-borneradar;multi-channel;integration

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.08.017

商林峰Email：shanglf1986@126.com

2016-04-15

2016-06-23

TN851

A

1004-7859(2016)08-0075-05