萬承德 胡善祥 高 菡

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 320088)

0 引言

近年來，得益于數(shù)字集成電路技術(shù)水平的不斷完善以及數(shù)字波束形成不斷深入的研究，數(shù)字陣列雷達(dá)進(jìn)行不斷發(fā)展與完善。

現(xiàn)代數(shù)字陣列模塊(DAM)設(shè)計由于其復(fù)雜的探測目標(biāo)能力，可實現(xiàn)多功能數(shù)字收發(fā)設(shè)計等優(yōu)點，受到各大科研院所青睞，數(shù)字陣列雷達(dá)的主要構(gòu)成部分有數(shù)字T/R組件、數(shù)字波束形成、大容量高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和高效率軟件化信號處理機(jī)[1-2]。信號接收是把陣列天線輸出的回波信號進(jìn)行A/D采樣后送到數(shù)字波束形成器，然后對回波信號進(jìn)行復(fù)加權(quán)處理，形成人們所需要的波束信號；有時還擔(dān)當(dāng)著波束控制，校正處理，目標(biāo)追蹤等角色。米波段DAM具有可探測距離遠(yuǎn)，準(zhǔn)確度高，信號強(qiáng)等優(yōu)點，但是在此波段夾雜著眾多信號頻譜，電視廣播等，給人們帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本文結(jié)合某種數(shù)字陣列雷達(dá)項目的背景和要求，對數(shù)字陣列模塊T/R組件鏈路進(jìn)行鏈路分析與設(shè)計、具體實現(xiàn)方法和性能分析。

本文介紹的是基于米波段收發(fā)一體數(shù)字陣列模塊，包含8發(fā)16收的射頻前段，數(shù)字一體化，時鐘功分，分布式DC/DC電源，以及數(shù)字傳輸，光電轉(zhuǎn)換等模塊。該DAM進(jìn)行了多通道的獨立可控設(shè)計，形成收發(fā)數(shù)字波束。最終完成多功能，高集成，低成本的一體數(shù)字化DAM設(shè)計[3-4]。

1 DAM鏈路分析與設(shè)計

本文設(shè)計的DAM集成了米波段模擬收發(fā)通道(8發(fā)16收)，1個射頻數(shù)字化收發(fā)板，分布式DC/DC電源模塊等，采用水冷散熱方式。米波段模擬收發(fā)前端采用集成化設(shè)計，由一個射頻收發(fā)數(shù)字板來控制其發(fā)射波形的產(chǎn)生和對接收信號的采集處理，該米波8通道數(shù)字陣列模塊(DAM)原理框圖及單通道收發(fā)單元電路框圖如圖1所示。

圖1 DAM原理框圖

由圖1可知，該DAM將T/R組件進(jìn)行一體化集成，同時在終端用一個隔離器將收發(fā)兩通道進(jìn)行隔離，避免在接收鏈路中受到天線大功率沖擊損壞低噪放器件，同時在天線不匹配時影響發(fā)射鏈路中功率放大器的阻抗匹配，進(jìn)而導(dǎo)致功率管損壞。最終保護(hù)T/R組件各組件不受損壞。

其中低噪放放大器，發(fā)射功率放大器以及一體化收發(fā)數(shù)字板是該DAM的核心器件，下面進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1.1 接收鏈路

在設(shè)計DAM接收鏈路時，由于工作頻段在米波段，波段內(nèi)存在廣播電視等干擾信號，二者之間存在著一定程度的互擾，影響目標(biāo)探測，嚴(yán)重時導(dǎo)致無法捕獲目標(biāo)，為此本方案需要采取相應(yīng)抗干擾措施。

1)措施1：接收通道設(shè)計時選擇合適的P-1值；

2)措施2：采用多級濾波措施，雷達(dá)實際工作時根據(jù)干擾最小準(zhǔn)則來選擇工作頻點；

3)措施3：選擇合適采樣率和A/D轉(zhuǎn)換器，使得干擾與采樣頻率的組合成份盡可能小。

采用三級濾波方式以保證信號的純凈。

第一級是限幅預(yù)選濾波，具有插損小、成本低、體積小等特點，該濾波器主要是防止接收外界較大的雜波信號時引起的低噪放深度飽和，后阻塞通道，抗干擾能力差等。

第二級是信道化濾波器，采用濾波器設(shè)計技術(shù)，主要是對工作頻帶進(jìn)行信道化分割，并對帶外干擾信號進(jìn)一步抑制，同時完成射頻采樣板的抗混疊濾波功能。該濾波器具有體積小、矩形系數(shù)好等特點。

第三級為數(shù)字低通濾波器，在FPGA中對數(shù)字解調(diào)后的數(shù)字信號進(jìn)行低通濾波，該濾波器在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，具有矩形系數(shù)好、可重構(gòu)、設(shè)計靈活、不增加硬件成本等特點，三級濾波技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)三級濾波設(shè)計

對接收鏈路，系統(tǒng)靈敏度是雷達(dá)接收機(jī)的主要指標(biāo)，接收機(jī)的噪聲系數(shù)[5-7]為

(1)

Si、So分別為輸入、輸出信號功率，Ni、No分別為輸入、輸出噪聲功率，此時接收機(jī)系統(tǒng)的級聯(lián)噪聲系數(shù)FS為

(2)

Fn為第n級聯(lián)的噪聲系數(shù)，G表示放大器的增益或變頻衰耗、濾波器衰耗的倒數(shù)。噪聲中檢測信號是根據(jù)信噪比S/N，由于噪聲的隨機(jī)特性，使得發(fā)現(xiàn)“有信號”這一事件是概率分布。設(shè)定要求的最小信噪比(S/N)min,有時又稱為“識別因子”，記為M。

為了保證正常接收，必有

Si/Ni≥M

(3)

設(shè)定最小可分辨率信號功率為

Smin=MNi

(4)

其中噪聲功率Ni包括內(nèi)部噪聲功率NR和外部噪聲功率NA,有

(5)

上述雷達(dá)系統(tǒng)的噪聲溫度為T，TA為天線的噪聲溫度，T0=290 K，此時

Smin=kTBnM

(6)

從公式(1)到公式(6)可知，為了提高雷達(dá)系統(tǒng)的靈敏度，須盡可能減少接收機(jī)的噪聲系數(shù)或有效噪聲溫度；盡可能減少天線噪聲溫度；選用最佳帶寬Bopt；在滿足系統(tǒng)性能要求情況下，盡可能減少識別因子M，在雷達(dá)系統(tǒng)中經(jīng)常通過脈沖積累的方式減小識別因子M。

對接收機(jī)來說，靈敏度主要取決于線性部分(位于檢波器或A/D轉(zhuǎn)換器之前)，檢波和視放一般影響不大。

為了比較不同接收機(jī)對靈敏度的影響，可令M=1，TA=T0，有

Smin=kT0BnFs=kTBn

(7)

此時Smin為“臨界靈敏度”，可知臨界靈敏度主要與接收機(jī)的噪聲帶寬和噪聲性能有關(guān)，通常接收機(jī)的靈敏度用功率來表示，并常以相對于1mW的分貝數(shù)計值，即

(8)

式(8)中，Bn的單位為MHz；Fs的單位為dB。

由上述可知，在系統(tǒng)帶寬確定的情況下，噪聲系數(shù)決定了系統(tǒng)靈敏度，本分系統(tǒng)設(shè)計時噪聲系數(shù)按3.0dB計算。根據(jù)該雷達(dá)系統(tǒng)對接收機(jī)的要求，接收機(jī)限幅低噪放要為低噪聲系數(shù)，由于存在大的發(fā)射輸出，為避免低噪放在雷達(dá)工作時的電掃描與其他同頻率電磁反射等環(huán)境下被破壞，所設(shè)計的低噪放耐受功率必須遠(yuǎn)大于其組件的發(fā)射功率；為了低噪放在具有低噪聲系數(shù)的同時還具有平坦的幅頻響應(yīng)和均勻的相位線性度，將其設(shè)計成平衡式；再對該模塊進(jìn)行限幅，好處是在不加偏置電壓的情況下，對泄漏信號大于門限值的任何射頻信號(與雷達(dá)工作同步的和非同步的)進(jìn)行衰減，保護(hù)接收機(jī)正常工作。本系統(tǒng)限幅低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)為：

1)工作頻率：米波段；

2)輸出P-1：≥18dBm;

3)噪聲系數(shù)：≤1.2dB;

4)耐受功率：峰值400W(開關(guān)保護(hù)狀態(tài)，接吸收負(fù)載);

5)限幅電平：20mW;

6)開關(guān)切換時間：≤1μs。

這樣整個接收系統(tǒng)從組件終端往后看總噪聲系數(shù)約為2.5dB，滿足系統(tǒng)指標(biāo)，根據(jù)靈敏度公式可得，當(dāng)信號帶寬Bn為5MHz，噪聲系數(shù)Fs為2.5dB時，系統(tǒng)靈敏度為104.5dBm。該鏈路采用了2組開關(guān)濾波器，可同時接收到2組信號，再在軟件可定義進(jìn)行信號頻譜接收，具體接收鏈路框圖如圖3所示。

圖3 米波接收鏈路設(shè)計

1.2 發(fā)射鏈路

對米波發(fā)射鏈路，發(fā)射激勵設(shè)計采用射頻數(shù)字直接合成技術(shù)方案，這樣可簡化系統(tǒng)組成。鏈路中最重要的功率放大器。

功放模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)，為了減小電路尺寸，提高功放的集成度，采用正反面電路形式，綜合考慮模塊的電磁兼容和散熱，背面為驅(qū)動功率電路，有兩級功率管，正面為末級功率管，殼體采用紫銅以便于散熱，外形尺寸為60mm×50mm×16mm，印制板圖如圖4所示。

圖4 功放模塊前級和末級設(shè)計圖

功率管選用的國產(chǎn)功率器件，表1為兩種國內(nèi)的功率管產(chǎn)品可滿足本設(shè)計方案指標(biāo)。

表1 功率管技術(shù)指標(biāo)

由表1可知，末級功率管的輸出功率都為200W，考慮到環(huán)行器的插損和功率起伏，發(fā)射通道實際需要的輸出功率在150W左右，功率管的額定功率比需要大2dB左右，因此在設(shè)計中利用降低工作電壓的方式進(jìn)行冗余設(shè)計，將輸出功率控制在150W左右。采用兩家的功率管的功放模塊將進(jìn)行統(tǒng)型設(shè)計，做成外形相同的模塊，最后擇優(yōu)而選。本系統(tǒng)功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)為：

1)工作頻段：米波段；

2)輸出功率：≥200W；

3)最大脈寬：≥15ms；

4)最大工作占空比：≥25%。

基于DAC的幅相控制和波形產(chǎn)生是數(shù)字收發(fā)單元的關(guān)鍵技術(shù)之一，既可以實現(xiàn)雷達(dá)復(fù)雜信號產(chǎn)生，又可以實現(xiàn)高速、高精度幅相控制。通過該方法可以產(chǎn)生點頻、線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、相位編碼等調(diào)制信號，帶寬和時寬都可以根據(jù)需要調(diào)整。發(fā)射鏈路框圖如圖5所示。

圖5 米波發(fā)射鏈路設(shè)計

1.3 一體化數(shù)字收發(fā)與DAM的EDA仿真

射頻數(shù)字化收發(fā)模塊設(shè)計是DAM內(nèi)的重要功能模塊，一體化數(shù)字收發(fā)應(yīng)用FPGA、ADC和DAC，在一塊印制板上實現(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信號來進(jìn)行設(shè)計。8通道數(shù)字接收機(jī)功能框圖如圖6所示。

圖6 8通道數(shù)字接收機(jī)功能框圖

數(shù)字接收機(jī)實現(xiàn)中頻數(shù)字化接收，形成數(shù)字基帶I/Q信號，完成數(shù)據(jù)高速傳輸。

數(shù)字化波形產(chǎn)生實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的不同脈寬、帶寬射頻信號的產(chǎn)生；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。

根據(jù)要求，本文DAM同時需要設(shè)計一個其他波段陣列，我們本次主要研究的是米波收發(fā)通道。為了保證DAM小體積大能力，本文設(shè)計的是一個方塊模型，正面設(shè)計了米波收發(fā)一體化通道和電源，反面放置另一波段陣列和一體化數(shù)字板。由于該DAM體積小，信號復(fù)雜，為了降低設(shè)計風(fēng)險，組件我們采用流體降溫設(shè)計，同時采用EDA仿真對其信號穩(wěn)定性，完整性以及元件溫度分布等指標(biāo)進(jìn)行預(yù)估，DAM轉(zhuǎn)換波形圖和DAC輸出頻譜如圖7所示，DAM數(shù)字板部分熱仿真如圖8所示。

圖7 DAC轉(zhuǎn)換波形圖和DAC輸出頻譜特性

圖8 DAM熱仿真設(shè)計

從圖8可知，該DAM為8通道發(fā)射和16通道接收設(shè)計。收發(fā)一體化數(shù)字板置于最下方，產(chǎn)生波束形成和接收信號；電源模塊放置在數(shù)字板左側(cè)，完成對所需電壓的轉(zhuǎn)換同時進(jìn)行電源濾波；16個開關(guān)濾波組件放置在中間位置；功率放大器、環(huán)形器置于上方左側(cè)，低噪聲放大器置于上方右端，完成對T/R通道信號的發(fā)射和接收。

由圖8看出DAM功放殼體最高溫度約74℃，滿足功率管殼體小于80°的溫度要求；FPGA/ADC等數(shù)字器件殼體溫度約為75℃，滿足系統(tǒng)85°要求；同時滿足要求不同通道間的同種發(fā)熱器件溫度一致性小于5°。

2 DAM性能測試

由于項目要求，該DAM反面同時設(shè)計了其他波段的8通道數(shù)字收發(fā)模塊。系統(tǒng)功能增加的同時體積和重量都會相應(yīng)的增加，DAM實際結(jié)構(gòu)尺寸為615mm×330mm×60mm，重量在15kg左右，但在復(fù)雜的條件下能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能，能達(dá)到“一陣多用”的效果。

對DAM米波8通道的各項指標(biāo)進(jìn)行了測試，單通道米波發(fā)射脈沖峰值功率[8]為180W，脈內(nèi)信噪比大于56dB，二次諧波低于-40dBm以內(nèi)，信噪比小于2.5dB，接收信噪比達(dá)到49以上，通道隔離度在30以內(nèi)，常溫下米波DAM整體效率在36.4%以上，均滿足性能指標(biāo)，實際測試如圖9至圖12所示。

圖9 米波單通道發(fā)射脈沖峰值功率與脈內(nèi)信噪比

圖10 米波8通道發(fā)射脈內(nèi)信噪比

圖11 米波8通道噪聲系數(shù)

圖12 米波8通道接收信噪比

在實際DAM中，收發(fā)通道的幅相穩(wěn)定性[9]對相控陣?yán)走_(dá)也很重要，我們采用收發(fā)自閉環(huán)方式，測試DAM的幅度穩(wěn)定性和相位穩(wěn)定性，實測幅度穩(wěn)定性小于0.3dB(rms)，相位穩(wěn)定性小于≤4°(rms)。

從DAM整體設(shè)計來看，此類相控陣?yán)走_(dá)的每個天線單元對應(yīng)的不僅是一個有源T/R組件，也是一個數(shù)字T/R，即每個T/R通道都由模擬收發(fā)通道和數(shù)字收發(fā)通道(FPGA和ADC)兩部分組成。即能夠在小尺寸的基礎(chǔ)上，以光纖為媒介進(jìn)行傳輸，完成對微波強(qiáng)信號、弱信號、數(shù)字信號和光信號等多種信號的數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)DAM的高集成設(shè)計。

3 結(jié)束語

本文從DAM理論出發(fā)，對DAM收發(fā)鏈路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計分析，再依托EDA仿真完成了對其信號穩(wěn)定性，完整性以及元件溫度分布等指標(biāo)預(yù)估。

該DAM的功放模塊采用的發(fā)射與接收一體設(shè)計，采用三級濾波方式，實現(xiàn)對接收信號的雜波濾除；該DAM使用的收發(fā)一體化設(shè)計，能實現(xiàn)更多信號采集的能力，包括8通道數(shù)字波形產(chǎn)生，16通道數(shù)字化接收，集成度高，接口簡單，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點，已經(jīng)在某項目中運用。