效應(yīng)實驗用的Ka波段正交解調(diào)接收機的研制

摘 要： 針對毫米波雷達的復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)實驗研究需求，采用超外差和模擬零中頻變頻級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，研制了一套Ka波段正交解調(diào)接收機。該接收機由低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器、正交相位檢波器等部分組成。測試表明：該接收機具有大于256 MHz的工作帶寬，在整個工作頻帶內(nèi)具有1 MHz的瞬時正交解調(diào)帶寬，可用于開展復(fù)雜電磁環(huán)境對毫米波雷達接收信號鏈路影響效應(yīng)實驗的研究。

關(guān)鍵詞： 毫米波雷達； 復(fù)雜電磁環(huán)境； 效應(yīng)實驗； 正交解調(diào)接收機

中圖分類號： TN97?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0001?03

Develop of Ka?band quadrature demodulation receiver used in effect experiment

XU Xiong， WU Ruowu， HAN Hui， ZENG Yonghu， WANG Liandong

（State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System， Luoyang 471003， China）

Abstract： Aiming at the experimental investigation demand of complex electromagnetic environment effect for millimeter?wave radar， a Ka?band quadrature demodulation receiver was developed by utilizing the superheterodyne and simulating the zero intermediate frequency variable frequency cascaded structure. This receiver is composed of low noise amplifier， mixer， intermediate frequency amplifier and quadrature phase detector. The testing result indicates that the receiver has operating band greater than 256 MHz， and has 1 MHz instantaneous quadrature demodulation bandwidth in the entire operating band， and can be used to conduct the effect experiment investigation about influence of complex electromagnetic environment on millimeter?wave radar receiving signal link.

Keywords： milimeter?wave radar； complex electromagnetic environment； effect experiment； quadrature demodulation receiver

0 引 言

毫米波雷達已在各類精確制導(dǎo)武器中獲得廣泛應(yīng)用，如“愛國者3?Ⅱ”防空反導(dǎo)導(dǎo)彈、“長弓海爾法Ⅱ”型的反坦克導(dǎo)彈，以及各新型的空空、空地導(dǎo)彈和先進反輻射制導(dǎo)導(dǎo)彈（AARGM）等都采用了毫米波主動雷達導(dǎo)引頭[1?2]。這些毫米波雷達的運用使得導(dǎo)彈具有了“全天候、發(fā)射后不管、高精度”等戰(zhàn)術(shù)性能。當(dāng)然，隨著電子對抗技術(shù)的發(fā)展，這些毫米波雷達也不可避免地要受到各種電磁環(huán)境要素的影響[3]。那么，如何從各個信號處理環(huán)節(jié)上研究毫米波雷達受復(fù)雜電磁環(huán)境的影響效應(yīng)，是當(dāng)前的一個重要研究課題，也是毫米波雷達抗干擾性能評估、復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗的現(xiàn)實需求[4]。

針對毫米波雷達的復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)實驗研究需求，需要對雷達接收機中各個典型的信號接收處理環(huán)節(jié)同時進行波形和頻譜的測量觀察；因而必須專門研制一套典型的以供效應(yīng)實驗用的毫米波接收機[5]。本文通過分析，提出采用超外差變頻和模擬零中頻變頻直接級聯(lián)的雙級變頻思路，來實現(xiàn)信號接收處理環(huán)節(jié)的典型化設(shè)計，以滿足復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)機理的分析需求。

1 接收機設(shè)計與仿真

Ka波段是目前應(yīng)用較為成熟的典型的毫米波頻段，以35 GHz為中心頻率的毫米波大氣傳輸損耗相對最小，相關(guān)器件技術(shù)也最為成熟，成本也較低，因而適合作為效應(yīng)實驗研究的典型頻段[6?7]。由相關(guān)公開文獻的報導(dǎo)可知，在該頻段工作的接收機，大部分都采用了多級變頻的超外差體制，之后在較低的中頻頻率上進行模擬的正交解調(diào)或直接中頻數(shù)字采樣[8?12]。根據(jù)效應(yīng)實驗的研究需求，在不考慮鏡頻干擾的情況下，選用單級毫米波下變頻的方式。同時，為了便于波形和頻譜的觀測，這里選用模擬的正交解調(diào)方式。

1.1 方案設(shè)計

該接收機主要分為兩個部分：采用毫米波前端超外差變頻和零中頻正交解調(diào)的級聯(lián)方案，如圖1所示。毫米波前端包括低噪聲放大、毫米波下變頻、中頻濾波放大三個基本環(huán)節(jié)。零中頻部分包括功分、正交混頻、視頻濾波放大三個基本環(huán)節(jié)。

圖1 接收機的工作原理

為了滿足測試需要，毫米波前端的三個環(huán)節(jié)都相對獨立設(shè)計，每個環(huán)節(jié)直接采用同軸轉(zhuǎn)接頭連接。其中，低噪聲放大器與混頻器的連接部分由于工作頻率高，因此采用2.92 mm的K型接頭連接，以降低連接損耗，其余部分都采用SMA接頭連接。按照上述設(shè)計思路，并根據(jù)輸入輸出信號的參數(shù)要求，給出如圖2所示的毫米波前端電路參數(shù)的指標(biāo)分配圖。

圖2 毫米波前端的設(shè)計圖

零中頻正交解調(diào)模塊的方案設(shè)計原理圖如圖3所示。

圖3 零中頻正交解調(diào)的設(shè)計圖

這里采用高度集成的ADL5382解調(diào)芯片來完成本振移相和正交混頻的功能。解調(diào)器ADL5382的射頻和本振工作頻段為700～2 700 MHz，轉(zhuǎn)換增益約4 dB，正交解調(diào)相位精度為0.2°，幅度精度為0.5 dB，輸出波形的最大幅度為2 V。射頻信號進入接收機后先通過一個隔離器，用于防止反射引起的振蕩，之后經(jīng)巴倫轉(zhuǎn)換為差分信號，進入解調(diào)器進行正交混頻，輸出的信號再經(jīng)巴倫后轉(zhuǎn)換為單端信號，輸出給下一級的視頻濾波放大模塊，最后輸出合適的正交視頻信號。

1.2 仿真計算

可以利用ADS軟件對整個接收機進行行為級的系統(tǒng)仿真，以預(yù)先獲知接收機的整體工作情況[13]。圖4是按照設(shè)計參數(shù)所建立的接收機的行為級模型。

圖4 接收機的行為級仿真模型

該模型能夠仿真出信號在連接線路上每個環(huán)節(jié)處的具體波形和頻譜，可以獲得信號經(jīng)過每個處理環(huán)節(jié)的變化情況。接收機正交解調(diào)輸出仿真圖如圖5所示，從波形圖中可以看到兩個通道波形的相位均相差90°，具有正交關(guān)系，輸出頻率可達到1 MHz。

2 部件制作與接收機性能測試

經(jīng)過器件選型、電路級仿真設(shè)計、版圖加工制作、腔體加工制作、器件焊接及調(diào)試 等一系列開發(fā)過程，最終制作出Ka波段低噪聲放大器、Ka波段混頻器、L波段中頻放大器、L波段零中頻正交解調(diào)模塊，其實物如圖6所示。

將這些部件通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)接頭連接起 來，并加入相關(guān)的毫米波本振源和中頻本振源，搭建如圖7（a）所示的Ka波段正交解調(diào)接收機測試現(xiàn)場。

對該接收機進行測試主要采用射頻信號直接注入的方式，即利用毫米波信號源分別輸出35 GHz的連續(xù)波和脈沖信號，直接通過同軸電纜注入低噪聲放大器。再利用示波器的兩個通道同時對I，Q通道輸出的信號進行測量。

圖7（b）顯示了示波器測量到的脈沖信號經(jīng)過接收機正交解調(diào)后的波形，兩個通道的波形正好相差90°，為正交關(guān)系，與上述的仿真結(jié)果一致。圖7（c）從另一個角度顯示了兩通道信號的正交關(guān)系，即在信號為正交的情況下，示波器x?y輸出狀態(tài)恰好為一個圓。

圖5 接收機正交解調(diào)輸出仿真圖

圖6 接收機各部件實物圖

圖7 接收機性能測試

3 結(jié) 語

本文針對效應(yīng)實驗用的典型毫米波雷達接收信號鏈路的研制需求，在充分考慮接收機現(xiàn)行體制和硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用毫米波前端超外差變頻與零中頻正交解調(diào)的級聯(lián)方案，設(shè)計研制了一套典型的Ka波段正交解調(diào)接收機。

經(jīng)測試，該接收機能夠在以35 GHz為中心頻率的Ka波段工作，工作帶寬大于256 MHz，且在整個工作頻帶內(nèi)具有1 MHz的瞬時正交解調(diào)帶寬。該接收機將用于開展復(fù)雜電磁環(huán)境對典型毫米波雷達接收機的效應(yīng)實驗研究，滿足相關(guān)指標(biāo)要求。

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