一種X波段船舶導(dǎo)航雷達(dá)射頻接收機(jī)設(shè)計(jì)

徐江山，陳振華，金 鑫，葛俊祥

(1. 南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心, 南京 210044)(2. 南京信大電子科技有限公司， 南京 210061)

·收/發(fā)技術(shù)·

一種X波段船舶導(dǎo)航雷達(dá)射頻接收機(jī)設(shè)計(jì)

徐江山1，2，陳振華1，金 鑫1，葛俊祥1，2

(1. 南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心, 南京 210044)(2. 南京信大電子科技有限公司， 南京 210061)

根據(jù)一種X波段船舶導(dǎo)航雷達(dá)的總體技術(shù)指標(biāo)，研制了一款與之配套的低噪聲鏡像抑制射頻前端接收機(jī)。整個(gè)接收機(jī)由限幅、低噪聲放大、鏡像抑制混頻三個(gè)主要功能模塊構(gòu)成。在研制過(guò)程中采取由獨(dú)立到集成的研制思路，在每個(gè)獨(dú)立模塊的性能經(jīng)測(cè)試符合技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行整個(gè)接收機(jī)的集成設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，給出了接收機(jī)的噪聲及鏈路增益測(cè)試曲線。測(cè)試結(jié)果表明：該射頻接收機(jī)在9.36 GHz～9.46 GHz頻率范圍內(nèi)具有3.6 dB的噪聲系數(shù)及2.5 dB的鏈路增益，鏡像抑制度達(dá)到30 dB，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足船舶導(dǎo)航雷達(dá)使用要求。整個(gè)前端模塊體積小、成本低，適合民用領(lǐng)域的規(guī)模化生產(chǎn)。

X波段；導(dǎo)航雷達(dá)；接收機(jī)；低噪聲；鏡像抑制

0 引 言

船舶導(dǎo)航雷達(dá)是船舶安全航行的重要保障，但目前國(guó)內(nèi)船舶導(dǎo)航雷達(dá)國(guó)產(chǎn)化率相對(duì)較低，主要依靠進(jìn)口，如：日本的古野、JRC等。射頻接收機(jī)作為雷達(dá)前端的重要組成部分，它的主要功能是在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)從射頻到中頻的轉(zhuǎn)換以適應(yīng)后端的信號(hào)處理。因此，自主研發(fā)設(shè)計(jì)一臺(tái)性?xún)r(jià)比較高的船舶導(dǎo)航雷達(dá)射頻接收機(jī)就有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。如今，船舶導(dǎo)航雷達(dá)射頻接收機(jī)前端方面也出現(xiàn)了許多新的技術(shù)[1]，新技術(shù)的應(yīng)用大大地提高了射頻接收機(jī)的性能。

本文提出的X波段船舶導(dǎo)航雷達(dá)射頻接收機(jī)根據(jù)雷達(dá)總體性能要求進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)的分配，以動(dòng)態(tài)范圍大、噪聲系數(shù)小、鏡像抑制度高為研制目標(biāo)，在研制過(guò)程中結(jié)合成本控制，在性能與成本之間進(jìn)行折中考慮，以期研制出性能合格、成本低廉，適合在民用市場(chǎng)大規(guī)模推廣的雷達(dá)射頻接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所研制的接收機(jī)性能參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

1 射頻接收機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)方案

本船舶導(dǎo)航雷達(dá)工作在X波段，單脈沖體制，中心頻率為9.41 GHz，帶寬為60 MHz，輸出中頻頻率為60 MHz。為了滿(mǎn)足船舶導(dǎo)航雷達(dá)的使用，綜合考慮成本、性能等因素，提出了本射頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)：

噪聲系數(shù)：小于4 dB

前端增益：大于2 dB

鏡像抑制度：大于20 dB

靈敏度：優(yōu)于-95 dBm

動(dòng)態(tài)范圍：大于80 dB

綜合考慮動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、小型化和線性度的要求，本文采用一級(jí)變頻的超外差結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)射頻前端接收機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。整個(gè)射頻接收機(jī)系統(tǒng)主要由限幅、低噪聲放大、鏡像抑制混頻三個(gè)主要功能模塊構(gòu)成[3]。為盡可能降低成本，選擇價(jià)格較為便宜的0.4 mm厚FR4板材作為整個(gè)射頻接收機(jī)的基板。射頻接收機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 射頻接收機(jī)系統(tǒng)框圖

限幅器主要是用來(lái)抑制大強(qiáng)度干擾信號(hào)對(duì)接收機(jī)的沖擊，防止其進(jìn)入射頻接收機(jī)燒毀其他微波器件。天線接收到的微弱射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)限幅器后進(jìn)入低噪聲放大器，以最大程度地減少本地噪聲的引入?？紤]到鏡頻信號(hào)與本振信號(hào)相距較近，如果在混頻前使用濾波器進(jìn)行濾除難度較大，所以本文使用了鏡像抑制混頻的方案，在實(shí)現(xiàn)濾除鏡頻信號(hào)的同時(shí)還可以減小損耗。

1.2 限幅器的選擇

限幅器作為一種重要的微波控制器件已被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)接收系統(tǒng)中。它在接收雷達(dá)回波小信號(hào)時(shí)，對(duì)信號(hào)本身僅會(huì)產(chǎn)生非常低的損耗；而當(dāng)有較強(qiáng)信號(hào)功率進(jìn)入時(shí)，限幅器將會(huì)對(duì)該信號(hào)產(chǎn)生很大的衰減以保護(hù)后級(jí)器件的安全[4]。

本系統(tǒng)對(duì)限幅器的指標(biāo)要求為：在X波段，小信號(hào)插入損耗小于0.5 dB，限幅電平為15 dBm；在頻率為9.41 GHz、脈寬為0.8 μs、占空比為0.48‰的情況下能承受的最大脈沖功率為50 dBm。

基于指標(biāo)要求，本文選取了Macom公司生產(chǎn)的某型號(hào)限幅二極管。該型號(hào)限幅二極管采用TDFN封裝，價(jià)格低廉，性能良好，便于焊裝。

為了承受峰值50 dBm的功率沖擊，采用兩級(jí)限幅器級(jí)聯(lián)的布局，逐級(jí)限幅，以保證器件的安全。

1.3 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

本文選用Eudyna公司生產(chǎn)的FH40LG型號(hào)晶體管來(lái)對(duì)低噪聲放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，該晶體管噪聲系數(shù)小、增益大，只需采用一級(jí)結(jié)構(gòu)就能滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，大大減小了系統(tǒng)的成本和體積。本文低噪聲放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)為：工作頻率9.36 GHz～9.46 GHz，噪聲系數(shù)小于1.5 dB，增益大于13 dB。低噪聲放大器原理圖，如圖2所示。

圖2 低噪聲放大器原理圖

對(duì)于單級(jí)低噪聲放大器而言，其噪聲系數(shù)計(jì)算公式為

(1)

式中:Fmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，由晶體管自身決定；Γopt、Rn和Γs分別為獲得最小噪聲系數(shù)時(shí)的源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻和晶體管輸入端的源反射系數(shù)。低噪聲放大器的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)采用最小噪聲系數(shù)匹配。當(dāng)Γs=Γopt時(shí)，低噪聲放大器的噪聲系數(shù)最小[5]。

在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，通常定義增益為負(fù)載吸收的平均功率與信號(hào)源最大資用功率的比值，即

(2)

式中：PL為負(fù)載吸收的平均功率；Ps為信號(hào)源最大資用功率。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般采用共軛匹配以獲得較大增益。

為了獲得良好的噪聲性能，低噪聲放大器(LNA)采用雙電源對(duì)晶體管進(jìn)行供電，以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)；用0.1 mm的高阻線進(jìn)行饋電，并在枝節(jié)上加90°微帶扇形線對(duì)射頻信號(hào)等效開(kāi)路。低噪聲放大器實(shí)物，如圖3所示。

圖3 低噪聲放大器實(shí)物

使用Agilent N8975A型號(hào)噪聲系數(shù)分析儀對(duì)LNA的增益和噪聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 低噪聲放大器實(shí)測(cè)結(jié)果

實(shí)測(cè)結(jié)果表明：低噪聲放大器在中心頻點(diǎn)9.41 GHz處100 MHz帶寬內(nèi)，增益G優(yōu)于13 dB，噪聲系數(shù)nf小于1.5 dB。

1.4 鏡像抑制混頻器的設(shè)計(jì)

鏡像抑制混頻器采用低本振下變頻方式，主要設(shè)計(jì)指標(biāo)為：射頻中心頻率9.41 GHz，帶寬60 MHz，輸出中頻頻率60 MHz，射頻功率范圍-85 dBm～-5 dBm，鏡頻抑制度>20 dB，變頻損耗<10 dB。

鏡像抑制混頻器包括兩個(gè)單平衡混頻器、一個(gè)微帶環(huán)形電橋、一個(gè)3 dB定向耦合器和一個(gè)中頻正交耦合器?；祛l二極管采用Avago HSMS-8202混頻二極管對(duì)。鏡像抑制混頻器的原理框圖如圖1中虛線框內(nèi)所示。

射頻信號(hào)從定向耦合器的輸入端口輸入，本振信號(hào)從環(huán)形電橋輸入端口輸入。射頻信號(hào)和鏡頻干擾信號(hào)輸入3 dB定向耦合器，分別在兩個(gè)單平衡混頻器輸入端口形成等幅正交的兩組信號(hào)；本振信號(hào)通過(guò)環(huán)形電橋產(chǎn)生等幅同相的兩組信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)單平衡混頻器；混頻后輸出的兩路中頻信號(hào)送入中頻正交耦合器，經(jīng)正交合成后輸出所需要的中頻信號(hào)，而鏡頻信息將被抑制。具體分析過(guò)程如下：

設(shè)有用的回波信號(hào)電壓為

μs=2Usmcosωst

(3)

式中：Usm為回波信號(hào)電壓峰值；ωs為射頻信號(hào)頻率。

本振信號(hào)為

μp=2Upmcosωpt

(4)

式中：Upm為本振信號(hào)電壓峰值；ωp為本振信號(hào)頻率。

鏡頻干擾信號(hào)為

μi=2Uimcosωit

(5)

式中：Uim為鏡頻信號(hào)電壓峰值；ωi為鏡頻信號(hào)頻率。

同時(shí)Up>Us，頻率之間相互關(guān)系為

ωs-ωp=ωp-ωi=ωIF

(6)

式中：ωIF為中頻信號(hào)頻率。

所以加到兩個(gè)單平衡混頻器上的信號(hào)電壓和本振電壓分別為

(7)

(8)

(9)

(10)

由于混頻二極管在本振信號(hào)激勵(lì)下的非線性電導(dǎo)為

g1=g0+2g1cosωpt+2g2cos2ωpt+…

(11)

式中：g0、g1、g2為不同諧波下的電導(dǎo)。則當(dāng)僅考慮基波混頻時(shí)，兩個(gè)單平衡混頻器上的電流分別為當(dāng)信號(hào)輸入端饋入鏡像干擾信號(hào)μi。

I1= 2g1cosωpt·Uimcosωit=

g1Uimcos(ωp-ωi)t+

g1Uimcos(ωp+ωi)t

(12)

I2= 2g1cosωpt·Uimcosωit=

(13)

可以看到：其中一個(gè)單平衡混頻器的鏡像中頻電流相位滯后于另一個(gè)單平衡混頻器，再經(jīng)過(guò)中頻正交耦合器90°相移，剛好反相抵消，從而輸出有用的中頻信號(hào)[6]。

1.4.1 環(huán)形電橋與3dB定向耦合器的設(shè)計(jì)

微帶環(huán)形電橋主要用于本振信號(hào)的等幅正交分配，以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)單平衡混頻器。

3dB定向耦合器主要用于射頻信號(hào)的分配，將射頻信號(hào)平均分配給兩個(gè)單平衡混頻器，兩個(gè)射頻信號(hào)相位相差90°。此外單平衡混頻器的設(shè)計(jì)中也用到了3dB定向耦合器。

本文在HFSS軟件中對(duì)微帶環(huán)形電橋和3dB定向耦合器進(jìn)行了建模、仿真并優(yōu)化。

1.4.2 低通濾波器的設(shè)計(jì)

單平衡混頻器中的低通濾波器主要用于對(duì)泄漏到中頻輸出端的本振信號(hào)和射頻信號(hào)以及它們的諧波信號(hào)進(jìn)行抑制。本設(shè)計(jì)中的低通濾波器采用CMRC低通濾波器，CMRC低通濾波器具有寬阻帶、高抑制度、體積小的特點(diǎn)。從仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果也看出：CMRC低通濾波器使鏡頻抑制和各端口隔離度都得到較大改善[7-8]。CMRC低通濾波器實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 CMRC低通濾波器實(shí)測(cè)結(jié)果實(shí)物圖

實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，該低通濾波器在60MHz處插入損耗S(2,1)小于0.1 dB，在9 GHz～30 GHz的頻帶內(nèi)抑制度優(yōu)于20 dB，可以對(duì)泄漏到中頻輸出端的本振信號(hào)、射頻信號(hào)以及它們的諧波信號(hào)進(jìn)行很好地抑制。

1.4.3 中頻正交耦合器的設(shè)計(jì)

由于中頻正交耦合器輸出為中頻，如果采用分布參數(shù)或者半集總參數(shù)型的中頻正交耦合器進(jìn)行設(shè)計(jì)的話體積太大。因此，本文采用了集總元件的支線耦合器[9]。中頻正交耦合器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 中頻正交耦合器結(jié)構(gòu)圖

仿真設(shè)計(jì)得到：在60 MHz處，2、3端口相位差為90°，插入損耗小于0.1 dB，回波損耗小于-20 dB。

中頻正交耦合器實(shí)物如圖7虛線框部分所示，用Agilent N5183A信號(hào)源從2端口輸入60 MHz的中頻信號(hào)，5端口和7端口輸出信號(hào)通過(guò)示波器予以顯示，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖7 鏡像抑制混頻器

從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出：兩路信號(hào)相位相差90°，振幅基本一致，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用要求。

1.4.4 鏡像抑制混頻器設(shè)計(jì)

各部分電路設(shè)計(jì)完成以后，對(duì)鏡像抑制混頻器版圖進(jìn)行了繪制和加工，實(shí)物如圖7所示。圖中1為射頻信號(hào)輸入端口，2為中頻信號(hào)輸出端口，3為本振輸入端口，4、6分別用同軸線與5、7相連。

圖8 中頻正交耦合器實(shí)測(cè)結(jié)果

使用Agilent N5183A和E8267D信號(hào)源分別從1端口和3端口輸入射頻信號(hào)和本振信號(hào)，2端口輸出的中頻信號(hào)通過(guò)AV4037MC頻譜分析儀獲取。鏡像抑制混頻器的變頻損耗與鏡像抑制度實(shí)測(cè)結(jié)果，如圖9所示。

圖9 鏡像抑制混頻器實(shí)測(cè)結(jié)果

實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出：本文設(shè)計(jì)的鏡像抑制混頻器在中心頻點(diǎn)處100 MHz帶寬內(nèi)，射頻信號(hào)變頻損耗LR在10 dB以?xún)?nèi)，鏡頻信號(hào)變頻損耗LS大于35 dB，鏡像抑制度α優(yōu)于25 dB。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)后，對(duì)電路板進(jìn)行繪制加工，射頻接收機(jī)實(shí)物如圖10所示。圖中各部分連接方式與圖7相同。

圖10 射頻接收機(jī)

采用與測(cè)試鏡像抑制混頻器變頻損耗與鏡像抑制度相同的方法測(cè)試射頻接收機(jī)的增益與鏡像抑制度，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖11a)所示。使用Agilent N8975A噪聲系數(shù)分析儀對(duì)射頻接收機(jī)的噪聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖11b)所示。

圖11 射頻接收機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果

實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出：整個(gè)射頻接收機(jī)增益G大于2.5 dB；鏡像抑制度αm優(yōu)于30 dB，整個(gè)射頻接收機(jī)鏡像抑制度相比于圖9中鏡像抑制混頻器的抑制度有5 dB的改善，主要是因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的低噪聲放大器的帶寬較窄；噪聲系數(shù)nf小于3.6 dB。射頻接收機(jī)模塊能夠較好地將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于處理的中頻信號(hào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文完成了X波段船舶導(dǎo)航雷達(dá)射頻前端接收機(jī)的設(shè)計(jì)、加工與測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果可以看出：整個(gè)射頻前端接收機(jī)性能符合技術(shù)指標(biāo)要求，成本低廉，能夠滿(mǎn)足X波段船舶導(dǎo)航雷達(dá)的使用需求。

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徐江山 男， 1990年生，碩士研究生。研究方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l電路。

陳振華 男， 1984年生，博士，講師。研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞娐放c系統(tǒng)。

金 鑫 男，1994年生，本科。研究方向?yàn)殡娐窚y(cè)試。

葛俊祥 男，1960年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)、微波毫米波與天線技術(shù)、電磁散射與繞射理論。

Design of an X-band Marine Navigation Radar RF Receiver

XU Jiangshan1,2，CHEN Zhenhua1，JIN Xin1，GE Junxiang1,2

(1. Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China) (2. Nanjing Xinda Electronic Technology Company Limited, Nanjing 210061, China)

An X-band low noise RF receiver with image rejection characteristic is developed in this paper according to the overall technical indicators of marine navigation radar. Three function modules, limiter, low noise amplifier, image-rejection mixer, are included in the proposed receiver. In the process of development, a discrete-to-integrated development scheme is adopted. The integrated design and test of the whole receiver are completed on the basis that the performance of each discrete module is in accordance with technology index. The measured noise figure and gain of the developed receiver are given in this paper. In the 9.36 GHz～9.46 GHz band, the noise figure of 3.6 dB is achieved and the gain is 2.5 dB. The image rejection is greater than 30 dB. The test results show that the developed RF receiver can fully meet the requirements of the marine navigation radar. The whole receiver module is compact, with low-cost and is suitable for mass production of civilian areas.

X-band; navigation radar; receiver; low noise; image rejection

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.04.016

江蘇省信息與通信工程優(yōu)勢(shì)學(xué)科(二期)基金資助；2013年江蘇省科技型企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金項(xiàng)目(BC2013031)；2014年大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃(201410300241C)

葛俊祥 Email：jxge@nuist.edu.cn

2015-11-17

2016-01-08

TN722.3

A

1004-7859(2016)04-0068-05