蔡 暢，楊 浩，杜澤保，陳春青

(1.中國科學(xué)院微電子研究所 新一代通信射頻芯片技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100029；2.中國科學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心，江蘇 無錫 214000；3.中國科學(xué)院大學(xué) 微電子學(xué)院，北京 101400)

0 引言

隨著現(xiàn)代雷達技術(shù)的發(fā)展，便攜式雷達已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場情報偵查、邊境區(qū)域監(jiān)視等軍事任務(wù)中，主要對目標區(qū)域的活動物體進行探測[1]；同時也用于建筑工程中公路、橋梁等領(lǐng)域，可以探測混凝土內(nèi)部鋼筋、金屬管線等位置。但不管是軍用還是民用，隨著微波技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代雷達都在往小型化、集成化設(shè)計的方向發(fā)展。便攜式雷達設(shè)計緊湊、體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、便于攜帶，正好符合當前社會需求。我國相比美國、俄羅斯等國家對便攜式雷達研究稍晚，以往研究的成果相對比較笨重、大型化，目前國內(nèi)市場上對于便攜式雷達還比較少見，各大研究機構(gòu)都在積極開展對雷達小型化、集成化設(shè)計的研究。

目前在2.4 GHz、5.8 GHz等頻段已經(jīng)開發(fā)出單芯片的收發(fā)機，而且技術(shù)也已成熟并產(chǎn)品化，而Ku波段目前限于國內(nèi)工藝技術(shù)，很難將整個收發(fā)系統(tǒng)集成在單芯片上，通常采用的是微波混合集成電路(HMIC)形式將不同功能的芯片組合成整個收發(fā)機系統(tǒng)。在小型化設(shè)計方面有多層多芯片技術(shù)(MCM)以及低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)，這不僅簡化了各個MMIC芯片之間的連線，減小了各信號間的相互干擾，其緊湊的疊層技術(shù)也提高了系統(tǒng)的可靠性[2]。

1 系統(tǒng)組成及原理

現(xiàn)代雷達系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu)主要有超外差、零中頻、數(shù)字中頻等。其中零中頻結(jié)構(gòu)雖解決了集成度的問題，卻引入了直流失衡，整體性能相比超外差結(jié)構(gòu)遜色很多。本系統(tǒng)主要采用了超外差結(jié)構(gòu)，其整體原理框圖如圖1所示，接收端部分將射頻信號經(jīng)過天線接收，通過一個低噪聲放大器將微弱信號進行放大，再經(jīng)過射頻濾波器將帶外的無用信號進行濾除，低噪聲放大

圖2 上變頻通道增益分配圖

器與射頻濾波器可以根據(jù)不同需求來調(diào)整前后位置。濾波器在放大器之前，對雷達的抗干擾和抗飽和能力有好處，但是濾波器的損耗增加了接收機的噪聲；濾波器放在低噪放之后，則可以改善靈敏度以及噪聲系數(shù)，但會使得抗干擾和抗飽和能力變差[3]。本系統(tǒng)采用了后者,濾波后的信號再經(jīng)過混頻、濾波、放大后得到中頻信號，最后將中頻信號送到A/D進行采樣供后端進行信號處理；而發(fā)射端部分主要通過兩次上變頻，最后經(jīng)過射頻功放將信號放大到一定功率后，通過天線將信號發(fā)射出去。另外，本系統(tǒng)的發(fā)射端與接收端共用了一根天線，它們之間用一個環(huán)形器進行連接，使得發(fā)射信道與接收信道均能正常工作且相互隔離，確保發(fā)射信號只能從天線端輻射出去，而防止發(fā)射信號直接灌入到接收端。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 上變頻通道設(shè)計

對于上變頻通道，輸入中心頻率為102.5 MHz、帶寬為40 MHz的脈沖線性調(diào)頻信號，與第一本振源混頻后產(chǎn)生第一中頻信號，再與第二本振源進行混頻得到Ku波段的射頻信號?；祛l過程中容易產(chǎn)生各次諧波信號，需要用濾波器進行濾除，超外差結(jié)構(gòu)本身存在鏡像干擾問題，需要濾波器對鏡像干擾信號進行濾除。本振信號間為了避免產(chǎn)生交調(diào)干擾，需要進行適當?shù)母綦x處理。通過合理的設(shè)計，發(fā)射信號的雜波抑制可做到大于60 dB。

系統(tǒng)增益的靈活分配是超外差結(jié)構(gòu)的優(yōu)點之一，本系統(tǒng)要求發(fā)射功率在8 W以上。首先，為了保證混頻器具有較好的線性度，將混頻器的射頻輸入端的功率定在-3 dBm，一般在工程上，濾波器的帶內(nèi)損耗約3 dBm，混頻器的變頻損耗約10 dBm，由此可以大致確定整個上變頻通道的增益分配，增益分配情況如圖2所示。最后根據(jù)所用芯片的實際情況對增益分配進行微調(diào)整。

射頻驅(qū)動功率放大器的設(shè)計采用三級級聯(lián)的方式，中間用隔離器進行隔離，防止射頻信號回流。其中最末級選用的功放最大能輸出41 dBm的功率，而系統(tǒng)實際要求輸出功率8 W，約39 dBm,預(yù)留3 dBm以備其他原因衰減造成發(fā)射功率不足。

功放之間級聯(lián)需要增加輔助手段進行級間匹配，在射頻傳輸線以及功放輸入輸出端口外圍處添加矩形方陣，如圖3所示。在進行級間調(diào)試時，通過在方陣上面手動貼銅箔來連接各個方陣小塊，銅箔充當一種媒介來模擬微帶電路以實現(xiàn)級間匹配。

圖3 功放級間匹配局部PCB圖

2.2 下變頻通道設(shè)計

下變頻通道要求設(shè)計兩路接收通路，如圖4所示，首先射頻回波信號通過天線接收，經(jīng)過第一次混頻后得到第一中頻信號，然后通過功分器將其分成兩路中頻信號，再分別進行第二次混頻得到第二中頻信號。良好的系統(tǒng)增益分配能夠使系統(tǒng)噪聲系數(shù)最小，一般來說，接收機通常是由多級放大器、混頻器和濾波器等連接起來組成的，級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)可用下式表示：

(1)

其中，F(xiàn)i表示各級芯片的噪聲系數(shù)，Gi表示各級芯片的增益。由式(1)可以看出，系統(tǒng)整體噪聲系數(shù)主要由前級貢獻，越到后級，由于受到前級放大倍數(shù)的影響，后級各自的噪聲系數(shù)對系統(tǒng)整體噪聲系數(shù)貢獻很小。本系統(tǒng)要求噪聲系數(shù)小于3.5 dB，考慮到接收端前面的環(huán)形器，衰減器各損耗約0.5 dB的噪聲系數(shù)，選擇低噪聲放大器的噪聲系數(shù)1.5 dB，增益17 dB，這里共消耗噪聲系數(shù)2.5 dB，后級預(yù)留了1 dB的噪聲系數(shù)，這是由于后級對整體系統(tǒng)噪聲系數(shù)影響較小，基本能滿足系統(tǒng)噪聲系數(shù)指標。低噪放之后的增益分配方法與上變頻通道設(shè)計一致，另外接收通路增加的功率檢測功能，結(jié)合可控增益放大器，實現(xiàn)了接收通路中頻信號的自動增益控制。

圖4 下變頻通道設(shè)計

2.3 本振源的設(shè)計

本振源的設(shè)計對系統(tǒng)的整體性能影響很大，比如它的相位噪聲直接影響雷達的抗干擾性能[4]。本振源的設(shè)計主要有直接頻率合成技術(shù)(DDS)和鎖相環(huán)技術(shù)(PLL)兩種方案，本系統(tǒng)的本振源均采用了鎖相環(huán)技術(shù)方案，主要考慮到鎖相環(huán)具有頻率穩(wěn)定度高、低相位噪聲等特點，且輸出頻率能滿足系統(tǒng)對Ku波段的要求。而直接頻率合成技術(shù)由于受采樣頻率的限制，輸出Ku波段的頻率要求難度較大，另外直接頻率合成技術(shù)輸出的信號雜散較大，諧波較多。

相位噪聲是本振源設(shè)計的一個重要指標，它是指系統(tǒng)在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號相位的隨機變化，其描述了本振信號的短期穩(wěn)定性[5]。本振信號在與射頻信號進行混頻時，額外噪聲被引入電路中，會惡化接收機的噪聲系數(shù)，降低接收機靈敏度。而PLL的相位噪聲除去芯片本身能達到的性能，還主要受參考信號、環(huán)路濾波器帶寬以及供電電源等因素的影響。本系統(tǒng)的參考信號使用了100 MHz、相位噪聲在-150 dBc/Hz@1 kHz的溫度補償晶振，環(huán)路帶寬默認芯片手冊所給參考電路帶寬，電源采用低壓線性穩(wěn)壓電源(LDO)。

本振源框圖如圖5所示，系統(tǒng)共用了3個鎖相環(huán)(PLL)芯片，其中PLL1輸出信號通過功分器后分別送往上、下變頻通道作為第一本振源，PLL2輸出信號通過功分器后送往上、下變頻通道作為第二本振源，PLL3輸出信號作為接收通路的第三本振源。

圖5 本振源框圖

2.4 中頻模塊設(shè)計

中頻模塊系統(tǒng)框圖如圖6所示，該模塊主要作為整個系統(tǒng)的控制部分。由于本振信號需要并行控制，微控制器采用具有并行處理能力的FPGA來實現(xiàn)，F(xiàn)PGA需要3個SPI接口來控制3個本振源鎖相環(huán)電路，6個I/O來控制發(fā)射射頻功放，4個I/O來控制接收射頻低噪放，4個I/O控制衰減器，1個I/O進行功率檢測，另外預(yù)留一個SPI接口用于與射頻后端DSP的通信。根據(jù)微控制器的資源利用情況，選用了Xilinx公司的Spartan-6系列的xc6slx9芯片作為系統(tǒng)的微控制器。

圖6 中頻模塊系統(tǒng)框圖

射頻功放和接收低噪放的控制時序如圖7所示，當發(fā)射機工作時，打開射頻功放，關(guān)斷接收端低噪放，此時發(fā)射中頻信號；當接收機工作時，則關(guān)斷射頻功放，打開接收低噪放。

圖7 收發(fā)控制時序圖

3 測試結(jié)果

射頻收發(fā)前端硬件電路嵌在一個鋁制腔體內(nèi)，腔體分正反兩面。正面主要為中頻控制電路，背面主要為射頻通路部分，包含一路上變頻通道、兩路下變頻通道以及本振源電路。

對該射頻收發(fā)前端進行了系統(tǒng)的測試，測試結(jié)果基本滿足系統(tǒng)設(shè)計時的指標要求。其中，幾個主要指標測試結(jié)果與文獻[1]對比如表1所示。

表1 本文與文獻[1]的對比

由對比結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)工作頻段更高，發(fā)射功率與接收增益更大，能實現(xiàn)更遠距離的探測；模塊重量更輕，尺寸更小，可達到便攜式、小型化設(shè)計要求。相對不足的是本系統(tǒng)動態(tài)范圍要小，本振相位噪聲要差。

4 結(jié)論

本文介紹了一款Ku波段便攜式雷達收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計過程。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)了小型化設(shè)計，可滿足便攜式雷達設(shè)計要求，各類性能指標也基本滿足要求。

[1] 劉秉策, 柴文乾, 代傳堂,等. X波段便攜式情報雷達集成化接收機設(shè)計[J]. 雷達科學(xué)與技術(shù), 2016,14(2):206-209.

[2] 黃成鈺. Ku波段微波收發(fā)機前端電路設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué),2013.

[3] 戈穩(wěn). 雷達接收機技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[4] 劉強,馬戰(zhàn)剛. Ku波段雷達接收機設(shè)計[J]. 電子技術(shù), 2013，26(6):58-60.

[5] 江鵬. Ku波段收發(fā)機射頻前端的研究與設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué),2016.