上海航天電子技術(shù)研究所 施威 張秋明 王瀚卿 于翔 魏紫東

隨著相控陣?yán)走_(dá)的不斷發(fā)展，通道隔離度和相位一致性等指標(biāo)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。為滿(mǎn)足相控陣?yán)走_(dá)的需求，設(shè)計(jì)了一種具有高隔離度和高相位一致性的多通道接收模塊。采用功能模塊分區(qū)屏蔽的物理布局和使用高反向隔離度的本振放大器來(lái)提高通道間的隔離度。通過(guò)調(diào)整本振功分網(wǎng)絡(luò)微帶走線(xiàn)的電長(zhǎng)度和使用低群時(shí)延波動(dòng)的中頻帶通聲表濾波器提高通道間的相位一致性。測(cè)試結(jié)果表明，該多通道接收模塊通道隔離度≥63dBc，相位一致性≤13.6°。

接收機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)中的重要組成部分，從雷達(dá)天線(xiàn)接收到的各種外來(lái)干擾、雜波和接收機(jī)內(nèi)部噪聲中提取、放大微弱的有用回波信號(hào)[1,2]。在相控陣?yán)走_(dá)中，接收機(jī)的通道數(shù)量不斷增加，通道間的隔離度指標(biāo)和通道間的相位一致性指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的影響不可忽視?，F(xiàn)在一般相控陣?yán)走_(dá)接收機(jī)由TR 組件、功合網(wǎng)絡(luò)和下變頻接收機(jī)組成。TR 組件的相位一致性可以通過(guò)調(diào)節(jié)金絲間距的方式來(lái)改善[3]，其接收機(jī)組件的隔離度會(huì)對(duì)移相精度造成影響，通道隔離度越高，移相精度越高[4]。功合網(wǎng)絡(luò)的相位一致性可以由前期仿真確定，而下變頻接收機(jī)的隔離度指標(biāo)和相位一致性指標(biāo)很大程度上由硬件設(shè)計(jì)決定。

本文基于某型雷達(dá)的研制需求，設(shè)計(jì)了一種具有高隔離度和高相位一致性的多通道接收模塊。介紹了多通道接收模塊的電路原理，描述了該接收模塊的設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)，通過(guò)金屬腔體模塊組合的設(shè)計(jì)提高了通道間隔離度，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)本振移相網(wǎng)絡(luò)和選擇低群時(shí)延波動(dòng)的聲表帶通濾波器提高了通道間的相位一致性[5]。

1 電路原理

多通道接收模塊采用了模塊化的設(shè)計(jì)理念，按不同的功能分成了不同的功能子模塊，子模塊之間通過(guò)電纜連接。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的4U 插盒內(nèi)集成了5 個(gè)接收通道子模塊、2 個(gè)本振功分子模塊和1 個(gè)電源板。

單路接收通道的原理圖如圖1 所示。它主要由限幅低噪放、鏡頻抑制濾波器、下變頻模塊、STC 模塊、混頻模塊、中頻放大器、聲表帶通濾波器等組成，完成對(duì)射頻雷達(dá)回波信號(hào)的兩次下變頻，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波、放大和靈敏度時(shí)間控制（STC）等功能。

圖1 接收通道原理圖Fig.1 Schematic diagram of receiving channel

每路接收通道在電路結(jié)構(gòu)上完全一致。其中下變頻模塊、STC 模塊和混頻模塊使用13 所17 專(zhuān)的多功能封裝器件，減小了電路規(guī)模尺寸。接收鏈路最前端的低噪聲放大器中集成了限幅器，滿(mǎn)足抗燒毀的要求。通過(guò)鏈路中的開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)接收通道的關(guān)斷功能。STC 模塊包含一級(jí)壓控衰減器和一級(jí)數(shù)控衰減器，壓控衰減器實(shí)現(xiàn)STC 功能，數(shù)控衰減器用來(lái)調(diào)整通道增益。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 物理布局

多通道接收模塊整體采用大盒體套小盒體的形式，各個(gè)功能單元單獨(dú)一個(gè)金屬屏蔽小盒體，使用金屬壁壓接加上蓋板的形式進(jìn)行屏蔽，提高抗干擾性能。接收通道電源由專(zhuān)門(mén)的電源板提供，兩者通過(guò)上下對(duì)插的低頻接插件互連，對(duì)應(yīng)接收通道的接插件四周密封，使得整個(gè)盒體與外界基本完全隔離。接收通道的本振輸入口由兩個(gè)背向垂直安裝的SSMP 電連接器完成，與本振模塊之間通過(guò)射頻電纜連接。單個(gè)接收通道的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，整機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖3 所示。

圖2 單個(gè)接收通道的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of one single receiving channel

圖3 整機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.3 The topology of the multi-channel receiver

2.2 高隔離度的實(shí)現(xiàn)

影響通道隔離度的因素主要是共用本振和電源線(xiàn)、控制線(xiàn)之間的串?dāng)_[4]。在硬件設(shè)計(jì)中，下變頻模塊和混頻模塊的本振輸入端集成了高反向隔離度的放大器，減小耦合到本振通路的信號(hào)強(qiáng)度[6]。各個(gè)通道之間單獨(dú)通過(guò)LDO 供電，控制線(xiàn)串接電阻加強(qiáng)隔離。由于接收通道子模塊和本振功分子模塊擁有各自的盒體，射頻信號(hào)之間物理隔離，從而得到了較高的空間隔離度。整體隔離度可以做到50dB[6]以上。

2.3 高相位一致性的實(shí)現(xiàn)

多通道接收模塊采用超外差式結(jié)構(gòu)[7-13]，有兩路本振信號(hào)，一、二本振均采用低本振方案。

為保證接收模塊通道間相位一致性，首先是要保證本振功分網(wǎng)絡(luò)的相位一致性。一/二本振功分模塊采用功分器加微帶線(xiàn)設(shè)計(jì)，采用了成都亞光的YYP 系列貼片式功分器，其相位一致性在±2°以?xún)?nèi)。簡(jiǎn)潔式一分二后再一分四拓?fù)湓O(shè)計(jì)，總共功分8 路，其中3 路50Ω 電阻接地，其余5 路等電長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，有效保證了低損耗、寬帶和相位一致性。本振功分網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，其中兩路的微帶線(xiàn)如圖4 所示，使用ADS 對(duì)其進(jìn)行仿真，通過(guò)調(diào)整微帶線(xiàn)的電長(zhǎng)度來(lái)保持中心相位的一致。如圖5 所示可以看出，兩路微帶走線(xiàn)之間的相位基本保持一致。

圖4 微帶線(xiàn)走線(xiàn)ADS 仿真圖Fig.4 The ADS simulation diagram of microstrip line

圖5 微帶線(xiàn)之間相位關(guān)系仿真結(jié)果圖Fig.5 Simulation diagram of phase relationship

中頻濾波器的群時(shí)延和群時(shí)延波動(dòng)對(duì)通道間的相位一致性也有很大的影響。硬件設(shè)計(jì)中，在一中頻和二中頻處各使用了一級(jí)聲表濾波器，群時(shí)延分別為50nS 和1090nS，群時(shí)延波動(dòng)分別為12nS 和80nS。

群時(shí)延表征為相移與頻率的比值，當(dāng)頻率一定時(shí)，群延時(shí)越小，相移就越小。群時(shí)延波動(dòng)是濾波器帶內(nèi)絕對(duì)群時(shí)延最大值和最小值之差，群時(shí)延波動(dòng)越小，代表相同信號(hào)通過(guò)濾波器后產(chǎn)生的相移誤差越小。

5 個(gè)接收通道完全相同，理論上信號(hào)經(jīng)過(guò)接收通道后產(chǎn)生的相移也相同，由于器件本身一致性的關(guān)系，群時(shí)延波動(dòng)越小，可以認(rèn)為不同器件之間的誤差也越小，通道之間的相位一致性也越好。

3 測(cè)試結(jié)果

接收機(jī)模塊實(shí)物圖如圖6 所示，使用信號(hào)源、頻譜儀、示波器等設(shè)備對(duì)接收模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試相位一致性時(shí)，信號(hào)源輸出的信號(hào)通過(guò)5 功分后接入接收通道，以第一個(gè)接收通道的相位為基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)試其余接收通道對(duì)比基準(zhǔn)通道的相位差值。相位一致性測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表1 模塊測(cè)試結(jié)果表Tab.1 Module test results table

表2 相位一致性測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab.2 Phase consistency test data table

圖6 接收機(jī)模塊實(shí)物圖Fig.6 Physical diagram of receiver

測(cè)試結(jié)果表明，接收模塊的通道間隔離度為63dBc，相位一致性為13.6°。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)多通道接收模塊之間的高隔離度和高相位一致性的工程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，通過(guò)合理的物理布局和鏈路設(shè)計(jì)提高了通道間的隔離度，通過(guò)選擇合適的聲表濾波器和合理設(shè)計(jì)本振功分網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高通道間的相位一致性。研制結(jié)果滿(mǎn)足雷達(dá)系統(tǒng)的使用需求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于某型搜跟一體雷達(dá)中，工作穩(wěn)定可靠。

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