X波段便攜式情報(bào)雷達(dá)集成化接收機(jī)設(shè)計(jì)?

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

便攜式戰(zhàn)場偵察雷達(dá)已被世界各國廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場情報(bào)偵察、邊境和敏感區(qū)域監(jiān)視等任務(wù)中,其主要用途是對(duì)指定地區(qū)的活動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測,具有小型化、質(zhì)量輕、安全可靠、性能穩(wěn)定、攜帶方便、使用快捷等特點(diǎn)。國外于20世紀(jì)40年代開始研究地面戰(zhàn)場便攜偵察雷達(dá),美國、俄羅斯、以色列等國家都先后成功研制了先進(jìn)的型號(hào)產(chǎn)品,如美國的AN/PPS系列、法國的RB12B雷達(dá),以及英國的MSTAR系列雷達(dá),在近些年的局部戰(zhàn)爭中都得到了很好的驗(yàn)證。近年來,各國在對(duì)原設(shè)備進(jìn)行輕小型化的同時(shí),利用快速發(fā)展的雷達(dá)技術(shù),不斷提高雷達(dá)的性能。我國地面戰(zhàn)場偵察雷達(dá)研究起步較晚,整體性能和國外相比還有一定的差距[1-2]。作為便攜式戰(zhàn)場偵察雷達(dá)基本單元——接收機(jī),它的體積、重量、技術(shù)指標(biāo)等決定了戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的高低。如何在有限的載荷、空間、功耗的條件下工程實(shí)現(xiàn)高集成化、低功耗、低重量、小體積的接收機(jī)是便攜式戰(zhàn)場偵察雷達(dá)的核心技術(shù)[3]。

本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面介紹一種應(yīng)用于X波段便攜情報(bào)雷達(dá)的小型化接收機(jī)集成設(shè)計(jì),該接收機(jī)集成了兩路模擬下變頻通道、一路模擬上變頻通道、頻綜電路(雙本振)和校正開關(guān)組件。為適應(yīng)集成化設(shè)計(jì)、小型化設(shè)計(jì)、強(qiáng)電磁兼容性設(shè)計(jì),通過多層微帶設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頻率源、收發(fā)通道及波形產(chǎn)生的集成化和用模塊化設(shè)計(jì)。在滿足系統(tǒng)指標(biāo)的前提下,具有集成度高、功耗低、體積小的特點(diǎn),能夠很好地適應(yīng)便攜式情報(bào)偵察雷達(dá)小型化、集成化發(fā)展的需求。

1 系統(tǒng)組成及原理

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,T/R組件通過網(wǎng)絡(luò)形成和差波束,再通過兩路下變頻通道完成信號(hào)的接收,另外一路上變頻通道把DDS產(chǎn)生的波形信號(hào)通過兩次變頻后饋入合成功分網(wǎng)絡(luò),形成發(fā)射激勵(lì)信號(hào)?？紤]到系統(tǒng)要求體積小、重量輕,設(shè)計(jì)時(shí)將頻率合成器、波形產(chǎn)生、發(fā)射激勵(lì)、接收通道和校正開關(guān)集成設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 接收通道的設(shè)計(jì)

接收通道電路由低噪聲放大器、微波濾波器、微波混頻器、中頻濾波器、中頻放大器等部分組成。為了提高系統(tǒng)集成度,有源器件和混頻器均采用了單片微波集成電路(MMIC)表貼模塊。濾波器設(shè)計(jì)時(shí)考慮使用一體化介質(zhì)濾波器,以減小其體積及重量。系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為3.5 dB,信號(hào)帶寬為20 MHz,系統(tǒng)總動(dòng)態(tài)為80 dB,瞬時(shí)動(dòng)態(tài)為50 dB,A/D最大輸入電平為10 dBm,計(jì)算系統(tǒng)的極限靈敏度[4-5]:

式中,BW為回波信號(hào)帶寬,NF為系統(tǒng)噪聲系數(shù),得到的極限靈敏度為-97 dBm。系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要取決于前級(jí)T/R組件,考慮到T/R組件的增益約為28 dB,噪聲系數(shù)為2 dB,合成網(wǎng)絡(luò)插損為6 dB,設(shè)計(jì)時(shí)合理安排每級(jí)放大器增益和P-1,保證接收通道的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)50 d B,使用STC控制30 dB,這樣可滿足系統(tǒng)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)50 dB、總動(dòng)態(tài)80 dB的要求。接收通道增益分配框圖如圖2所示。

根據(jù)噪聲系數(shù)計(jì)算公式(2)[6]:

計(jì)算可得接收通道的噪聲系數(shù)約為7 dB,考慮到前級(jí)T/R組件的增益和噪聲系數(shù),接收通道7 dB的噪聲系數(shù)對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)影響較小,可以滿足系統(tǒng)對(duì)噪聲系數(shù)的要求。

圖2 接收通道噪聲系數(shù)和增益分配圖

2.2 頻綜電路設(shè)計(jì)

頻率合成器的合成方式主要有直接頻率合成、間接頻率合成(PLL)、直接數(shù)字合成(DDS)。如采用直接頻率合成方式來產(chǎn)生一本振,不能滿足系統(tǒng)對(duì)重量體積的要求,采用直接數(shù)字合成(DDS)不能滿足X波段頻率要求,因此采用鎖相合成的方式來產(chǎn)生一本振,用直接合成的方式來產(chǎn)生二本振及相關(guān)時(shí)鐘。雷達(dá)采用脈沖體制,頻率合成器采用雙路鎖相“乒乓”模式以適應(yīng)近距離采用補(bǔ)盲窄脈沖對(duì)頻率合成高速變頻時(shí)間的要求,具體實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3 頻綜電路原理圖

采用80 MHz的晶體振蕩器作為參考信號(hào),晶振功分一路作為A/D的采樣時(shí)鐘,將晶振三倍頻后產(chǎn)生240 MHz的DDS時(shí)鐘,晶振二分頻作為全機(jī)基準(zhǔn)時(shí)鐘和波形時(shí)序時(shí)鐘,同時(shí)一路80 MHz的信號(hào)通過鎖相倍頻直接產(chǎn)生二本振信號(hào),一路80 MHz信號(hào)作為鑒相器的參考信號(hào),通過鎖相倍頻產(chǎn)生頻率步進(jìn)40 MHz的一本振,采用鎖相合成方法、鑒相頻率40 MHz、HITTITE鎖相環(huán)HMC767LP6CE,該鎖相環(huán)集成了VCO,采用整數(shù)分頻,在X波段輸出的相位噪聲接近-100 dBc/Hz@1 k Hz,可滿足系統(tǒng)的要求。

2.3 波形產(chǎn)生電路

波形產(chǎn)生電路可直接在中頻載波產(chǎn)生線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、相位編碼等波形,選用的核心器件為AD公司的DDS芯片AD9854。DDS產(chǎn)生波形的基本原理是:向DDS輸入起始頻率控制字K、增量頻率字ΔK(調(diào)頻斜率),在系統(tǒng)時(shí)鐘fc作用下,每時(shí)鐘周期頻率累加器完成一次ΔK頻率累加,相位累加器則根據(jù)頻率累加器輸出完成一次相位累加。取N位相位累加器輸出的高A位去尋址查正弦函數(shù)表,將相位信息轉(zhuǎn)化為幅度信息,然后經(jīng)D/A變換、低通濾波就可得到需要的波形。由于DDS輸出信號(hào)的頻率是根據(jù)其頻率控制字來變化的,只要使頻率控制字K按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律進(jìn)行改變就可實(shí)現(xiàn)所需要的調(diào)頻信號(hào)。圖4給出了基于DDS的波形產(chǎn)生的原理框圖[7]。

圖4 基于DDS的波形產(chǎn)生的原理圖

其工作過程如下:DDS邏輯控制電路在輸入二位波形代碼和導(dǎo)前的作用下,向DDS輸入起始頻率控制字、頻率增量控制字,DDS芯片根據(jù)輸入的控制字產(chǎn)生模擬輸出波形,該波形經(jīng)帶通濾波放大后輸出。

2.4 上變頻通道的設(shè)計(jì)

上變頻通道的功能是將波形產(chǎn)生的中頻信號(hào)經(jīng)過兩次變頻產(chǎn)生X波段的激勵(lì)信號(hào)通過功分網(wǎng)絡(luò)饋入前端T/R組件,電路原理框圖如圖5所示。

圖5 上變頻通道的原理圖

首先將DDS產(chǎn)生波形與二本振上變頻產(chǎn)生一中頻信號(hào),再將一中頻信號(hào)與二本振信號(hào)混頻產(chǎn)生射頻激勵(lì)信號(hào),設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到一本振與二本振之間的隔離,避免一本振和二本振產(chǎn)生交調(diào),通過合理的設(shè)計(jì),激勵(lì)信號(hào)雜波抑制度可做到大于60 dB。為了減少功耗,對(duì)末級(jí)激勵(lì)功放設(shè)計(jì)了調(diào)制電路。由于系統(tǒng)對(duì)體積和集成度的限制,本方案沒有采用傳統(tǒng)的功放調(diào)制電路,設(shè)計(jì)使用了一個(gè)簡單的電路,如圖6所示,IN端(電源輸入)接穩(wěn)壓器的輸出端,OUT端(電源輸出)接激勵(lì)放大器的漏極。Q1和Q2是一對(duì)M OSFET場效應(yīng)管,一個(gè)是N溝道,另一個(gè)是P溝道。當(dāng)Q2的柵極加邏輯“1”時(shí),Q2導(dǎo)通,Q1的柵極接地,Q1導(dǎo)通;當(dāng)Q2的柵極加邏輯“0”時(shí),Q2截止,Q1柵極通過R1電阻拉至IN端的輸入電壓,Q1截止;當(dāng)Q1和Q2都導(dǎo)通時(shí),對(duì)地漏電流由R1和R2決定。通常選擇R1＞10R2,保證Q2導(dǎo)通。通過調(diào)整R1的值,可以改善上升下降沿時(shí)間,通常R1取在kΩ量級(jí)。上升下降沿速度約在300 ns,可以滿足系統(tǒng)使用需要。Q1和Q2為SOT表貼封裝的集成電路,整個(gè)電路面積不足8 mm×5 mm。

圖6 激勵(lì)調(diào)制電源原理圖

3 集成化設(shè)計(jì)

采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法將下變頻、頻率合成器、上變頻、波形產(chǎn)生作為分離組件再使用射頻電纜互連的形式構(gòu)成接收機(jī)已經(jīng)無法滿足便攜式情報(bào)雷達(dá)對(duì)集成化的要求。

根據(jù)便攜式情報(bào)雷達(dá)的設(shè)計(jì)要求和特點(diǎn),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用輕型鋁質(zhì)材料進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),并采用小型接插件。接收機(jī)盒體采用對(duì)扣設(shè)計(jì),將兩路變頻通道、一路激勵(lì)通道與頻綜電路集成在一塊多層復(fù)合微帶板上,所有控制線和電源線置于多層微帶板內(nèi)層中。濾波器采用插針式結(jié)構(gòu),通過正面螺釘直接固定在微帶板背面,節(jié)省了微帶板空間。微帶板通過螺釘?shù)箍鬯ń佑谝惑w成型的上盒體隔筋上,電路單元與單元之間通過盒體隔筋隔離,改善電磁兼容和抗干擾能力的同時(shí)提高了接收機(jī)集成度;各單元電路間采用隔腔分開,并加強(qiáng)電源濾波。波形產(chǎn)生電路與校正開關(guān)固定在下盒體隔筋上,通過射頻飛線與微帶板互連。對(duì)濾波器與微帶板之間的垂直過渡進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),改善濾波器通帶內(nèi)的頻響特性。具體結(jié)構(gòu)形式和實(shí)現(xiàn)形式分別如圖7和圖8所示。

圖7 集成化接收機(jī)設(shè)計(jì)示意圖

圖8 集成化接收機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)圖

4 測試結(jié)果

對(duì)設(shè)計(jì)完成的樣機(jī)進(jìn)行了指標(biāo)測試,滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。測試結(jié)果如下:

1)本振相位噪聲:≤-100 dBc/Hz@1 k Hz;

2)變頻時(shí)間:≤150μs;

3)收發(fā)模塊噪聲系數(shù):≤8 dB;

4)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍:≥80 d B;

5)總功耗:≤20 W;

6)接收通道增益:≥40 d B;

7)通道內(nèi)帶內(nèi)起伏:≤1 dB(中頻16 MHz帶內(nèi));

8)接收通道內(nèi)幅度不一致性:≤1 d B;

9)激勵(lì)信號(hào)輸出功率:≥24 dBm;

10)接收機(jī)重量:≤1 200 g;

11)接收機(jī)功耗:≤20 W;

12)尺寸:216 mm×123 mm×30 mm。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于便攜式情報(bào)偵察雷達(dá)平臺(tái)的集成化接收機(jī)。將兩路變頻通道、一路激勵(lì)通道與頻綜電路集成在一塊多層復(fù)合微帶板上,采用調(diào)制電路對(duì)激勵(lì)信號(hào)的電源進(jìn)行調(diào)制,在滿足系統(tǒng)指標(biāo)的前提下,使得整個(gè)接收機(jī)的體積和功耗大大減小,能夠較好地滿足便攜式情報(bào)雷達(dá)對(duì)接收機(jī)的體積、重量要求。本文設(shè)計(jì)的接收機(jī)具有很高的工程實(shí)用價(jià)值,對(duì)后續(xù)便攜式情報(bào)偵察雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計(jì)有著借鑒意義。在后續(xù)的工作中,考慮將分離的波形產(chǎn)生電路和校正開關(guān)進(jìn)一步集成,融合在復(fù)合微帶板上設(shè)計(jì),進(jìn)一步縮小體積,提高集成度。

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