一種UHF波段8通道數(shù)字陣列模塊設(shè)計

胡善祥 王 強 高 菡 伍小保 朱文松 王 冰

(中國電子科技集團公司第三十八研究所合肥 230088)

接收發(fā)射技術(shù)

一種UHF波段8通道數(shù)字陣列模塊設(shè)計

胡善祥 王 強 高 菡 伍小保 朱文松 王 冰

(中國電子科技集團公司第三十八研究所合肥 230088)

介紹了采用高精度數(shù)字延時補償和一次有源混頻方式的UHF波段8通道數(shù)字陣列模塊，其內(nèi)部集成8個相互獨立的模擬收發(fā)通道、8通道數(shù)字接收、8通道數(shù)字波形產(chǎn)生，以及本振功分器、時鐘分配器、分布式電源、數(shù)據(jù)傳輸和光電轉(zhuǎn)換等部分，其單通道發(fā)射輸出脈沖峰值功率大于180W，脈內(nèi)信噪比大于55dB，脈沖頂降小于1dB，接收噪聲系數(shù)小于2.0dB，接收信噪比大于55dB，通道間隔離度大于30dB。該數(shù)字陣列模塊集成度高、接口簡潔、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)能力強、可靠性高，現(xiàn)已批量應(yīng)用于某遠程預(yù)警相控陣雷達。

數(shù)字陣列模塊;UHF波段;數(shù)字陣列雷達;數(shù)字收發(fā)

0 引 言

數(shù)字陣列模塊(DAM)是采用集成化和數(shù)字化技術(shù)，將射頻收發(fā)單元、本振功分單元、中頻數(shù)字收發(fā)單元、分布式電源、集中式電源、分布式參考源等功能電路整合并一體化設(shè)計，完成雷達數(shù)字化收發(fā)、數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)傳輸功能的新型多通道收發(fā)模塊，數(shù)字陣列模塊是數(shù)字陣列雷達(DAR)的基本單元，它的體積、重量、成本、技術(shù)指標(biāo)等決定了數(shù)字陣列雷達的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的高低，從某種程度上也決定了數(shù)字陣列雷達的生存價值和使用價值［1－3］。本文介紹的DAM包含8個相互獨立的模擬收發(fā)通道、8通道數(shù)字接收機、8通道數(shù)字波形產(chǎn)生，以及本振功分器、時鐘分配器、分布式電源、數(shù)據(jù)傳輸和光電轉(zhuǎn)換等部分;具有多通道高密度集成、全數(shù)字收發(fā)一體、緊湊的三維布局、接口簡潔、環(huán)境適應(yīng)能力強等技術(shù)特點，在防空、反導(dǎo)、預(yù)警雷達等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 DAM設(shè)計與分析

數(shù)字陣列雷達不僅具有常規(guī)相控陣雷達的所有優(yōu)良性能，同時具有更大的波束調(diào)度靈活性、更好的抗有源干擾性能，數(shù)字陣列雷達的發(fā)展需要高性能、高集成、低成本的DAM，本DAM的設(shè)計采用模塊化、集成化的設(shè)計思路，將8個基本收發(fā)通道單元采用緊湊的三維結(jié)構(gòu)布局方式構(gòu)造成一個DAM。該DAM有8個獨立的收發(fā)模擬通道;數(shù)字接收和數(shù)字波形產(chǎn)生8通道一體化設(shè)計，共用一個PCB板;上下變頻所需的本振信號由一根電纜輸入，然后功分到8個通道;基準時鐘、DDS采樣時鐘和ADC?采樣時鐘由一根電纜輸入，在DAM內(nèi)部實現(xiàn)分路;電源采用集中28V輸入，在DAM內(nèi)部完成DC/DC變換。結(jié)構(gòu)布局上，DAM正面為8路模擬收發(fā)通道，背面為分配網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字收發(fā)板，中間為散熱水道。UHF波段8通道DAM組成框圖如圖1所示。

圖1 UHF波段8通道DAM組成框圖

其中由小型化的發(fā)射功率模塊、限幅低噪聲放大模塊、一次有源混頻模塊組成的模擬收發(fā)通道與一體化數(shù)字收發(fā)為該DAM的核心組成部分，下面將對每個核心功能單元的具體設(shè)計進行闡述。

(1)小型化的發(fā)射功率模塊

發(fā)射功率模塊由三級放大鏈路組成，末級采用國產(chǎn)的200WLDMOS功率管，通過三維立體布局、優(yōu)化匹配電路，設(shè)計高增益、小型化的固態(tài)功率模塊。發(fā)射功率模塊的尺寸為60mm×40mm× 16mm，具有體積小、可靠性高、易維修、低成本等優(yōu)點。

功率模塊具有控制、保護功能，可以實現(xiàn)遙控開關(guān)機，每路可以單獨控制。在接收工作期間，功率模塊各級放大器處于關(guān)斷狀態(tài)，提高收發(fā)環(huán)路穩(wěn)定性的同時保證了接收通道的噪聲電平穩(wěn)定;在發(fā)射正常工作狀態(tài)，送出發(fā)射功率是否低于門限值的脈沖指示信號。發(fā)射功率模塊的主要技術(shù)指標(biāo)為:

①工作頻率:UHF波段

②輸出功率:≥200W

③脈沖頂降:≤1.0dB

④最大脈寬:≥15ms

⑤最大工作占空比:≥33%

(2)限幅低噪聲放大模塊

DAM發(fā)射通道輸出功率大于180W，由于天線陣面分布大量的收發(fā)組件，雷達工作時進行電掃描，以及存在其它電磁反射現(xiàn)象，在天線陣面上工作的限幅低噪聲放大器的耐功率要遠大于180W;為提高可靠性，縮短限幅時間，限幅低噪聲放大模塊采用半有源、平衡式方式實現(xiàn)，具有駐波小，抗同步、異步燒毀能力強等優(yōu)點。接收限幅低噪聲放大模塊的主要技術(shù)指標(biāo)為:

①工作頻率:UHF波段

②增益:≥35dB

③噪聲系數(shù):≤1.2dB

④承受峰值功率:400W

⑤開關(guān)時間:≤1μs

⑥限幅電平:≤13dBm

限幅低噪聲放大模塊內(nèi)部還集成了LC帶通濾波器，濾除帶外強干擾信號，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

(3)一次有源混頻模塊

一次有源混頻模塊是DAM實現(xiàn)頻率變換功能的模塊，包括用于發(fā)射支路的上變頻和用于接收支路的下變頻，主要由UHF波段SiGe－BiCMOS收發(fā)一體化變頻芯片、射頻開關(guān)、中頻濾波器等組成，采用FR4多層印制板實現(xiàn)高集成度變頻電路。一次有源混頻模塊采用多功能收發(fā)一體化變頻單芯片實現(xiàn)收發(fā)變頻放大，不僅集成度較高，可靠性也得到大幅度提高;模塊采用標(biāo)準的SMT工藝，提高了生產(chǎn)成品率，同時降低了生產(chǎn)成本。一次有源混頻電路原理框圖及實物照片分別如下圖所示:

圖2 一次有源混頻電路原理框圖

圖3 一次有源混頻模塊實物照片

一次有源混頻模塊實現(xiàn)上下變頻處理，集成接收、發(fā)射通道、收發(fā)切換開關(guān)以及端口匹配元件。接收通道集成鏡像抑制混頻器、低通濾波器、可變增益放大器和中頻功率放大器;發(fā)射通道由可變增益放大器、邊帶抑制上變頻器和射頻放大器器組成。收發(fā)通道增益可由數(shù)字增益管腳進行編程控制。收發(fā)通道均采用雙平衡的鏡像抑制混頻器，本振泄露較低，此外可以實現(xiàn)大于30dB的鏡像和邊帶抑制度。一次有源混頻模塊的技術(shù)指標(biāo)如表1所示:

(4)一體化數(shù)字收發(fā)

一體化數(shù)字收發(fā)應(yīng)用FPGA、DDS和多通道ADC，在一塊印制板上實現(xiàn)8通道的數(shù)字化接收機和8通道的數(shù)字波形產(chǎn)生器?；谲浖o線電思想在中頻數(shù)字化、數(shù)字解調(diào)產(chǎn)生基帶I/Q信號來進行設(shè)計。主要包括抗混疊濾波器、中頻采樣ADC、基于FPGA實現(xiàn)的數(shù)字下變頻(DDC)和數(shù)字波束形成(DBF)處理、光纖通信接口等。

表1 一次有源混頻模塊的技術(shù)指標(biāo)

數(shù)字接收機實現(xiàn)中頻數(shù)字化接收，形成數(shù)字基帶I/Q信號，完成數(shù)據(jù)高速傳輸。同時完成高精度閉環(huán)跟蹤模式下的和波束、方位差波束及仰角差波束初級合成。

數(shù)字化波形產(chǎn)生實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的不同脈寬、帶寬中頻信號的產(chǎn)生;在寬帶工作模式下完成收發(fā)孔徑渡越時間補償;并具有雷達發(fā)射波形的脈前脈后頻率掩護和可編程等功能。

a)基于FPGA技術(shù)的數(shù)字接收機

對于數(shù)字化接收，目前廣泛采用基于軟件無線電設(shè)計思想的數(shù)字化接收機技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字正交解調(diào)，用于實現(xiàn)解調(diào)的電路被稱為 DDC(Digital Down－Converter)，具有NCO及可編程高效數(shù)字濾波器，因此在采樣時鐘確定的情況下，可在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)多種帶寬信號的解調(diào)和匹配濾波?；緦崿F(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)字I/Q正交解調(diào)實現(xiàn)框圖

b)基于DDS技術(shù)的數(shù)字波形產(chǎn)生

基于DDS的相位控制和波形產(chǎn)生是數(shù)字收發(fā)單元的關(guān)鍵技術(shù)之一，相控陣雷達的工作方式要求雷達信號具有多種波形形式，需要改變信號的頻率、脈寬、帶寬等參數(shù)，這就要求雷達的波形形成非常靈活，而 DDS恰能滿足這一要求［4－5］。DDS的基本原理框圖如圖5所示。

圖5 DDS基本原理框圖

從理論上講DDS可以產(chǎn)生任意的信號波形，也就是說DDS技術(shù)可以直接對產(chǎn)生的信號波形參數(shù)(如頻率、相位、幅度)中的一個、二個或三個同時進行直接調(diào)制。以調(diào)頻為例，對于一個DDS系統(tǒng)其輸出頻率由下式給出: (1)

式中:k為頻率控制字，fclock為DDS輸入時鐘頻率，n為相位累加器的位數(shù)。

對于給定的DDS，相位累加器的位數(shù)是一個固定值，當(dāng)輸入時鐘頻率設(shè)定后，其輸出頻率隨控制字k而變化。所以只要使頻率控制字k按照調(diào)制信號的規(guī)律進行改變就可實現(xiàn)所需要的調(diào)頻信號;同時通過相位累加器和正弦函數(shù)表之間的數(shù)字加法器，可以實現(xiàn)對輸出信號的精確相位控制。

由上式可知，傳統(tǒng)的DDS結(jié)構(gòu)，其輸出頻率為工作時鐘fclock的分頻，理論上最大輸出頻率fout= fclock/2，本系統(tǒng)采用DDS工作時鐘頻率為400MHz，輸出以fout中心頻率帶寬為B的數(shù)字信號;其相位控制碼為14 bit，理論上移相精度可達到:(360°/ 214)≈0.02°。

在搜索模式下，因為信號帶寬窄，孔徑渡越及頻率色散現(xiàn)象可以忽略，因此DAM直接將陣元級數(shù)據(jù)實時傳送給信號處理系統(tǒng)，并由信號處理系統(tǒng)完成多個接收波束的形成，同時DAM接收信號處理系統(tǒng)發(fā)送過來的各個陣元的相位分布，實時產(chǎn)生發(fā)射波形，通過上變頻后輻射至空間，在空間中形成期望的發(fā)射波束。

在跟蹤模式下，當(dāng)陣列天線的掃描角度較大時，存在孔徑渡越及頻率色散現(xiàn)象，此時信號處理系統(tǒng)將每一個DAM所需的數(shù)字延遲時間量傳送給DAM，并由DAM完成高精度的時間延遲以修正孔徑渡越及頻率色散現(xiàn)象。設(shè)中心頻率為f0，信號帶寬為B，脈沖寬度為T0，延時為t0的線性調(diào)頻信號實部表達式為:

若延時為0，則有:

若初始頻率為fi、初始相位為φi，則線性調(diào)頻信號的表達式可改寫為:

如令:

比較上面公式，可以看出通過補償初始頻率和初始相位的方法，線性調(diào)頻信號的延時可以得到精確補償。

DAM中8通道一體化數(shù)字收發(fā)模塊如圖6所示。

圖6 8通道一體化數(shù)字收發(fā)模塊圖

2 DAM性能指標(biāo)測試結(jié)果

數(shù)字陣列模塊的外形尺寸為 610×160× 55mm3，重量約8.5kg。我們對DAM的各項具體指標(biāo)進行了測試，單通道發(fā)射輸出脈沖峰值功率大于180W，發(fā)射脈內(nèi)信噪比大于55dB，脈沖頂降小于1dB，通道接收噪聲系數(shù)小于2.0dB，接收信噪比大于55dB，通道間隔離度大于30dB，DAM效率大于30%，部分測試結(jié)果如圖7～10所示:

圖7 通道發(fā)射輸出功率測試結(jié)果

收發(fā)通道的幅相穩(wěn)定性對相控陣雷達的系統(tǒng)性能至關(guān)重要，也是DAM設(shè)計中需要考慮的重要環(huán)節(jié)，我們采用收發(fā)自閉環(huán)的方式，對DAM的幅度和相位穩(wěn)定性進行了測試。測試結(jié)果表明DAM的幅度穩(wěn)定性小于0.1dB(rms)，相位穩(wěn)定性小于2°(rms)。

對于大型陣列天線，隨機誤差需要用統(tǒng)計理論進行分析，有誤差的副瓣電平在概率上服從為Rice分布［6］，假設(shè)天線單元無方向性，且幅、相誤差的方差與波束掃描角度無關(guān)，則:

圖8 通道發(fā)射脈內(nèi)信噪比測試結(jié)果

圖9 接收單通道噪聲系數(shù)測試結(jié)果

圖10 接收信噪比測試結(jié)果

假設(shè)天線效率為90%，有效單元數(shù)為1024時，由上述公式可知，DAM的0.1dB(rms)幅度穩(wěn)定性，2°(rms)相位穩(wěn)定性引起副瓣電平惡化小于0.01dB，引起的天線波束指向誤差很小，可忽略。

3 結(jié) 論

本文介紹了一種采用高精度數(shù)字延時補償和一次有源混頻方式的UHF波段8通道數(shù)字陣列模塊，其內(nèi)部集成8個相互獨立的模擬收發(fā)通道、8通道數(shù)字接收、8通道數(shù)字波形產(chǎn)生，以及本振功分器、時鐘分配器、分布式電源、數(shù)據(jù)傳輸和光電轉(zhuǎn)換等部分，具有集成度高、接口簡潔、環(huán)境適應(yīng)能力強、可靠性高等技術(shù)特點，在防空、反導(dǎo)、預(yù)警雷達等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］［美］James Tsui.寬帶數(shù)字接收機［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［2］吳曼青.數(shù)字陣列雷達及其進展［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2006，1(1):11－16.

［3］吳曼青.數(shù)字陣列雷達的發(fā)展與構(gòu)想［J］.雷達科學(xué)與技術(shù)，2008，6(6):401－405.

［4］Cantrell B，et al.Development of a Digital Array Radar (DAR)［J］.IEEE Aerospace and Electronic Syst ems Magazine，2002，17(3):22－27.

［5］TavikG C，Hilterbrick C L，Evins J B.The Advanced Multifunction RF Concept［J］.Transactions onMicrowave Theory and Techniques，2005，53(3):1009－1020.

［6］張光義.相控陣雷達系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1994.

Design of a UHF－band 8－channel Digital Array Module

Hu Shanxiang，Wang Qiang，Gao Han，Wu Xiaobao，Zhu Wensong，Wang Bing
(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088)

A UHF－band 8－channel digital array module by using high－precision digital－delay compensation and once active mixing is introduced，in which parts like 8 independent analog transceiving channels，8－channel digital receiving，8－channel digital waveform generating and LO power dividers，clock dividers，distributed power supply，data transfer，photoelectric conversion etc.are integrated.Pulse output peak power transmitted by a single channel is greater than 180 W，SNR within pulse is more than 55 dB，pulse top drop less than 1 dB，NF of receiving less than 2.0 dB，SNR of receiving more than 55dB，inter－channel isolation more than 30 dB.The digital array module is featured with high level of integration，simple interface，stable performance，favorable environment adaptability and high reliability.It is batch applied in a long－distance warning phased array radar.

digital array module;UHF－Band;digital array radar;digital transceiver

TN957;TN958

A

1008-8652(2016)04-069-05

2016-07-18

胡善祥(1974－)，男，高級工程師。主要研究方向為相控陣雷達收發(fā)技術(shù)。