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(jì)由于其復(fù)雜的探測目標(biāo)能力，可實(shí)現(xiàn)多功能數(shù)字收發(fā)設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，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(hào)處理機(jī)[1-2]。信號(hào)接收是把陣列天線輸出的回波信號(hào)進(jìn)行A/D采樣后送到數(shù)字波束形成器，然后對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行復(fù)加權(quán)處理，形成人們所需要的波束信號(hào)；有時(shí)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(hào)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是在此波段夾雜著眾多信號(hào)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(xiàng)目的背景和要求，對(duì)數(shù)字陣列模塊T/R組件鏈路進(jìn)行鏈路分析與設(shè)計(jì)、具體實(shí)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(shí)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(dú)立可控設(shè)計(jì)，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(jì)[3-4]。

1 DAM鏈路分析與設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的DAM集成了米波段模擬收發(fā)通道(8發(fā)16收)，1個(gè)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(jì)，由一個(gè)射頻收發(fā)數(shù)字板來控制其發(fā)射波形的產(chǎn)生和對(duì)接收信號(hào)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(shí)在終端用一個(gè)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(shí)在天線不匹配時(shí)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(jì)DAM接收鏈路時(shí)，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(hào)，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(shí)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(jì)時(shí)選擇合適的P-1值；

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

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(jí)濾波方式以保證信號(hào)的純凈。

第一級(jí)是限幅預(yù)選濾波，具有插損小、成本低、體積小等特點(diǎn)，該濾波器主要是防止接收外界較大的雜波信號(hào)時(shí)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(jí)是信道化濾波器，采用濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)，主要是對(duì)工作頻帶進(jìn)行信道化分割，并對(duì)帶外干擾信號(hào)進(jìn)一步抑制，同時(shí)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(diǎn)。

第三級(jí)為數(shù)字低通濾波器，在FPGA中對(duì)數(shù)字解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)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(jì)靈活、不增加硬件成本等特點(diǎn)，三級(jí)濾波技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)三級(jí)濾波設(shè)計(jì)

對(duì)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(hào)功率，Ni、No分別為輸入、輸出噪聲功率，此時(shí)接收機(jī)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)FS為

(2)

Fn為第n級(jí)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(hào)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(hào)”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(shí)又稱為“識(shí)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(hào)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(shí)

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(shí)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(shí)別因子M。

對(duì)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(duì)靈敏度的影響，可令M=1，TA=T0，有

Smin=kT0BnFs=kTBn

(7)

此時(shí)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(duì)于1mW的分貝數(shù)計(jì)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(jì)時(shí)噪聲系數(shù)按3.0dB計(jì)算。根據(jù)該雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(jì)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(shí)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(jì)成平衡式；再對(duì)該模塊進(jìn)行限幅，好處是在不加偏置電壓的情況下，對(duì)泄漏信號(hào)大于門限值的任何射頻信號(hào)(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(shí)間：≤1μs。

這樣整個(gè)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(hào)帶寬Bn為5MHz，噪聲系數(shù)Fs為2.5dB時(shí)，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(shí)接收到2組信號(hào)，再在軟件可定義進(jìn)行信號(hào)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(jì)

1.2 發(fā)射鏈路

對(duì)米波發(fā)射鏈路，發(fā)射激勵(lì)設(shè)計(jì)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(dòng)功率電路，有兩級(jí)功率管，正面為末級(jí)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(jí)和末級(jí)設(shè)計(jì)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(jì)方案指標(biāo)。

表1 功率管技術(shù)指標(biāo)

由表1可知，末級(jí)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(shí)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(jì)中利用降低工作電壓的方式進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，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(jì)，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(shí)現(xiàn)雷達(dá)復(fù)雜信號(hào)產(chǎn)生，又可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度幅相控制。通過該方法可以產(chǎn)生點(diǎn)頻、線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、相位編碼等調(diào)制信號(hào)，帶寬和時(shí)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(jì)

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(jì)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(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?；谲浖o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)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(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。

數(shù)字化波形產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的不同脈寬、帶寬射頻信號(hào)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(shí)需要設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)的是一個(gè)方塊模型，正面設(shè)計(jì)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(hào)復(fù)雜，為了降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，組件我們采用流體降溫設(shè)計(jì)，同時(shí)采用EDA仿真對(duì)其信號(hào)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(jì)

從圖8可知，該DAM為8通道發(fā)射和16通道接收設(shè)計(jì)。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(hào)；電源模塊放置在數(shù)字板左側(cè)，完成對(duì)所需電壓的轉(zhuǎn)換同時(shí)進(jìn)行電源濾波；16個(gè)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(duì)T/R通道信號(hào)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(shí)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(xiàng)目要求，該DAM反面同時(shí)設(shè)計(jì)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(shí)體積和重量都會(huì)相應(yīng)的增加，DAM實(shí)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(duì)DAM米波8通道的各項(xiàng)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(shí)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(shí)際DAM中，收發(fā)通道的幅相穩(wěn)定性[9]對(duì)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(shí)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(jì)來看，此類相控陣?yán)走_(dá)的每個(gè)天線單元對(duì)應(yīng)的不僅是一個(gè)有源T/R組件，也是一個(gè)數(shù)字T/R，即每個(gè)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(duì)微波強(qiáng)信號(hào)、弱信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和光信號(hào)等多種信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)DAM的高集成設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

本文從DAM理論出發(fā)，對(duì)DAM收發(fā)鏈路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析，再依托EDA仿真完成了對(duì)其信號(hào)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(jì)，采用三級(jí)濾波方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的雜波濾除；該DAM使用的收發(fā)一體化設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)更多信號(hào)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(diǎn)，已經(jīng)在某項(xiàng)目中運(yùn)用。