X波段便携式情报雷达集成化接收机设计

X波段便携式情报雷达集成化接收机设计∗

刘秉策;柴文乾;代传堂;王磊

【摘要】Portable battlefield surveillance radar has been widely used in many countries for moving tar-get detection at battlefield,frontier and some important areas,because it is characterized by flexibility,por-tability,high reliability,and stability.On the premise of guaranteeing system performance,more attentions must be paid to

volume,weight,integration,and power consumption to meet its special battlefield require-ments.As one of the most important components in portable battlefield surveillance radar,the receiver dom-inates the whole radar performance.So it must be designed in detail.A design solution for the integrated re-ceiver of an X-band portable battlefield surveillance radar is presented in this paper,also a detailed system de-sign method and detailed realization are descripted.%便携式情报侦察雷达具有灵活便携、架设迅速、高可靠和高稳定等特点，已被世界各国广泛应用于战场侦察、边境和敏感区域监视等任务中。其主要用途是对指定地区的活动目标进行感知探测。针对便携式侦察雷达轻小型化发展趋势的要求，具体设计时要在保证系统指标的前提下，着重对其体积、重量、集成度和功耗等优化设计。接收机作为便携式情报侦察雷达的核心部件，其体积、重量、集成度和功耗直接决定了整个便携式情报侦察雷达的整体性能指标，因此是便携式情报侦察雷达设计的重点。基于上述思想，设计实现了一种 X波段便携式情报雷达接收机集成化设计方案，阐明系统设计思路和具体电路实现，并给出了设计实例和测试指标。

【期刊名称】《雷达科学与技术》

【年(卷),期】2016(014)002

【总页数】5页(P206-209,214)

【关键词】X波段;便携式情报雷达;接收机;集成化;小型化;低功耗

【作者】刘秉策;柴文乾;代传堂;王磊

【作者单位】中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088;中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088;中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088;中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088

【正文语种】中文

【中图分类】TN957.5

0 引言

便携式战场侦察雷达已被世界各国广泛应用于战场情报侦察、边境和敏感区域监视等任务中,其主要用途是对指定地区的活动目标进行探测,具有小型化、质量轻、安全可靠、性能稳定、携带方便、使用快捷等特点。国外于20世纪40年代开始研究地面战场便携侦察雷达,美国、俄罗斯、以色列等国家都先后成功研制了先进的型号产品,如美国的AN/PPS系列、法国的RB12B雷达,以及英国的MSTAR系列雷达,在近些年的局部战争中都得到了很好的验证。近年来,各国在对原设备进行轻小型化的同时,利用快速发展的雷达技术,不断提高雷达的性能。我国地面战场侦察雷达研究起步较晚,整体性能和国外相比还有一定的差距[1-2]。作为便携式战场侦

察雷达基本单元——接收机,它的体积、重量、技术指标等决定了战术指标的高低。如何在有限的载荷、空间、功耗的条件下工程实现高集成化、低功耗、低重量、小体积的接收机是便携式战场侦察雷达的核心技术 [3]。

本文从系统设计和具体实现两个方面介绍一种应用于X波段便携情报雷达的小型

化接收机集成设计,该接收机集成了两路模拟下变频通道、一路模拟上变频通道、

频综电路(双本振)和校正开关组件。为适应集成化设计、小型化设计、强电磁兼容性设计,通过多层微带设计技术实现了频率源、收发通道及波形产生的集成化和用

模块化设计。在满足系统指标的前提下,具有集成度高、功耗低、体积小的特点,能

够很好地适应便携式情报侦察雷达小型化、集成化发展的需求。

1 系统组成及原理

系统原理框图如图1所示,T/R组件通过网络形成和差波束,再通过两路下变频通道

完成信号的接收,另外一路上变频通道把DDS产生的波形信号通过两次变频后馈入合成功分网络,形成发射激励信号。考虑到系统要求体积小、重量轻,设计时将频率

合成器、波形产生、发射激励、接收通道和校正开关集成设计。

图1 系统组成示意图

2 系统设计与实现

2.1 接收通道的设计

接收通道电路由低噪声放大器、微波滤波器、微波混频器、中频滤波器、中频放大器等部分组成。为了提高系统集成度,有源器件和混频器均采用了单片微波集成电

路(MMIC)表贴模块。滤波器设计时考虑使用一体化介质滤波器,以减小其体积及重量。系统的噪声系数为3.5 dB,信号带宽为20 MHz,系统总动态为80 dB,瞬时动态为50 dB,A/D最大输入电平为10 dBm,计算系统的极限灵敏度[4-5]:

式中,BW为回波信号带宽,NF为系统噪声系数,得到的极限灵敏度为-97 dBm。系

统的噪声系数主要取决于前级T/R组件,考虑到T/R组件的增益约为28 dB,噪声系数为2 dB,合成网络插损为6 dB,设计时合理安排每级放大器增益和P-1,保证接收通道的瞬时动态50 d B,使用STC控制30 dB,这样可满足系统瞬时动态50 dB、总动态80 dB的要求。接收通道增益分配框图如图2所示。

根据噪声系数计算公式(2)[6]:

计算可得接收通道的噪声系数约为7 dB,考虑到前级T/R组件的增益和噪声系数,接收通道7 dB的噪声系数对系统噪声系数影响较小,可以满足系统对噪声系数的要求。

图2 接收通道噪声系数和增益分配图

2.2 频综电路设计

频率合成器的合成方式主要有直接频率合成、间接频率合成(PLL)、直接数字合成(DDS)。如采用直接频率合成方式来产生一本振,不能满足系统对重量体积的要求,采用直接数字合成(DDS)不能满足X波段频率要求,因此采用锁相合成的方式来产生一本振,用直接合成的方式来产生二本振及相关时钟。雷达采用脉冲体制,频率合成器采用双路锁相“乒乓”模式以适应近距离采用补盲窄脉冲对频率合成高速变频时间的要求,具体实现如图3所示。

图3 频综电路原理图

采用80 MHz的晶体振荡器作为参考信号,晶振功分一路作为A/D的采样时钟,将晶振三倍频后产生240 MHz的DDS时钟,晶振二分频作为全机基准时钟和波形时序时钟,同时一路80 MHz的信号通过锁相倍频直接产生二本振信号,一路80 MHz 信号作为鉴相器的参考信号,通过锁相倍频产生频率步进40 MHz的一本振,采用锁相合成方法、鉴相频率40 MHz、HITTITE锁相环HMC767LP6CE,该锁相环集成了VCO,采用整数分频,在X波段输出的相位噪声接近-100 dBc/Hz@1 k Hz,可满

足系统的要求。

2.3 波形产生电路

波形产生电路可直接在中频载波产生线性调频、非线性调频、相位编码等波形,选用的核心器件为AD公司的DDS芯片AD9854。DDS产生波形的基本原理是:向DDS输入起始频率控制字K、增量频率字ΔK(调频斜率),在系统时钟fc作用下,每时钟周期频率累加器完成一次ΔK频率累加,相位累加器则根据频率累加器输出完成一次相位累加。取N位相位累加器输出的高A位去寻址查正弦函数表,将相位信息转化为幅度信息,然后经D/A变换、低通滤波就可得到需要的波形。由于DDS 输出信号的频率是根据其频率控制字来变化的,只要使频率控制字K按照调制信号的规律进行改变就可实现所需要的调频信号。图4给出了基于DDS的波形产生的原理框图[7]。

图4 基于DDS的波形产生的原理图

其工作过程如下:DDS逻辑控制电路在输入二位波形代码和导前的作用下,向DDS 输入起始频率控制字、频率增量控制字,DDS芯片根据输入的控制字产生模拟输出波形,该波形经带通滤波放大后输出。

2.4 上变频通道的设计

上变频通道的功能是将波形产生的中频信号经过两次变频产生X波段的激励信号通过功分网络馈入前端T/R组件,电路原理框图如图5所示。

图5 上变频通道的原理图

首先将DDS产生波形与二本振上变频产生一中频信号,再将一中频信号与二本振信号混频产生射频激励信号,设计时要考虑到一本振与二本振之间的隔离,避免一本振和二本振产生交调,通过合理的设计,激励信号杂波抑制度可做到大于60 dB。为了减少功耗,对末级激励功放设计了调制电路。由于系统对体积和集成度的限制,本方案没有采用传统的功放调制电路,设计使用了一个简单的电路,如图6所示,IN端(电

源输入)接稳压器的输出端,OUT端(电源输出)接激励放大器的漏极。Q1和Q2是一对M OSFET场效应管,一个是N沟道,另一个是P沟道。当Q2的栅极加逻辑“1”时,Q2导通,Q1的栅极接地,Q1导通;当Q2的栅极加逻辑“0”时,Q2截止,Q1栅极通过R1电阻拉至IN端的输入电压,Q1截止;当Q1和Q2都导通时,对地漏电流由R1和R2决定。通常选择R1＞10R2,保证Q2导通。通过调整R1的值,可以改善上升下降沿时间,通常R1取在kΩ量级。上升下降沿速度约在300 ns,可以满足系统使用需要。Q1和Q2为SOT表贴封装的集成电路,整个电路面积不足8 mm×5 mm。

图6 激励调制电源原理图

3 集成化设计

采用常规的设计方法将下变频、频率合成器、上变频、波形产生作为分离组件再使用射频电缆互连的形式构成接收机已经无法满足便携式情报雷达对集成化的要求。根据便携式情报雷达的设计要求和特点,结构设计采用轻型铝质材料进行一体化设计,并采用小型接插件。接收机盒体采用对扣设计,将两路变频通道、一路激励通道与频综电路集成在一块多层复合微带板上,所有控制线和电源线置于多层微带板内层中。滤波器采用插针式结构,通过正面螺钉直接固定在微带板背面,节省了微带板空间。微带板通过螺钉倒扣栓接于一体成型的上盒体隔筋上,电路单元与单元之间通过盒体隔筋隔离,改善电磁兼容和抗干扰能力的同时提高了接收机集成度;各单元电路间采用隔腔分开,并加强电源滤波。波形产生电路与校正开关固定在下盒体隔筋上,通过射频飞线与微带板互连。对滤波器与微带板之间的垂直过渡进行了优化设计,改善滤波器通带内的频响特性。具体结构形式和实现形式分别如图7和图8所示。

图7 集成化接收机设计示意图

图8 集成化接收机设计实现图

4 测试结果

对设计完成的样机进行了指标测试,满足系统指标要求。测试结果如下:

1)本振相位噪声:≤-100 dBc/Hz@1 k Hz;

2)变频时间:≤150μs;

3)收发模块噪声系数:≤8 dB;

4)系统动态范围:≥80 d B;

5)总功耗:≤20 W;

6)接收通道增益:≥40 d B;

7)通道内带内起伏:≤1 dB(中频16 MHz带内);

8)接收通道内幅度不一致性:≤1 d B;

9)激励信号输出功率:≥24 dBm;

10)接收机重量:≤1 200 g;

11)接收机功耗:≤20 W;

12)尺寸:216 mm×123 mm×30 mm。

5 结束语

本文设计实现了一种基于便携式情报侦察雷达平台的集成化接收机。将两路变频通道、一路激励通道与频综电路集成在一块多层复合微带板上,采用调制电路对激励信号的电源进行调制,在满足系统指标的前提下,使得整个接收机的体积和功耗大大减小,能够较好地满足便携式情报雷达对接收机的体积、重量要求。本文设计的接收机具有很高的工程实用价值,对后续便携式情报侦察雷达接收机的设计有着借鉴意义。在后续的工作中,考虑将分离的波形产生电路和校正开关进一步集成,融合在复合微带板上设计,进一步缩小体积,提高集成度。

参考文献:

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