3 mm雙圓極化收發(fā)變頻組件設(shè)計研究*

劉平安，劉滿國，周　帆，張　舵，張健楠（中國兵器工業(yè)第203研究所，西安　710065）

3 mm雙圓極化收發(fā)變頻組件設(shè)計研究*

劉平安，劉滿國，周帆，張舵，張健楠
（中國兵器工業(yè)第203研究所，西安710065）

介紹一種應(yīng)用于毫米波制導(dǎo)體制半實物仿真系統(tǒng)中3 mm收發(fā)變頻組件的設(shè)計方案。主要對組件中核心器件：中頻放大器、諧波混頻器、3 mm前端低噪放、自動增益控制（AGC）等模塊進(jìn)行了選型分析和研究。此外，文中對3 mm射頻前端加載圓極化器以適應(yīng)抗干擾、高分辨雷達(dá)體制仿真的要求提出了可行方案。最終，該組件放置在有雷達(dá)導(dǎo)引頭參與的閉環(huán)仿真實驗中進(jìn)行檢驗和測試，結(jié)論表明該組件應(yīng)用在毫米波制導(dǎo)仿真系統(tǒng)回路中具有幅相穩(wěn)定性高、動態(tài)范圍大、信噪比高、頻譜性能好等特點。

毫米波制導(dǎo)；變頻組件；低噪放；自動增益控制

0　引言

隨著現(xiàn)代電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，雷達(dá)導(dǎo)引頭所接收到的目標(biāo)回波信號被大量噪聲信號和干擾信號所充斥，這給雷達(dá)導(dǎo)引頭的信號處理和對目標(biāo)檢測、截獲帶來了極大的困難。為了保證雷達(dá)尋的導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能和命中精度，在型號研制過程中必須采用先進(jìn)的毫米波制導(dǎo)體制半實物仿真系統(tǒng)來充分檢驗導(dǎo)彈的性能和可靠性。盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計研制過程中存在的缺陷和問題，為實彈設(shè)計的改進(jìn)與優(yōu)化提供指導(dǎo)依據(jù)［1］。

毫米波射頻收發(fā)組件作為毫米波制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)中重要的組成部分，是連接導(dǎo)引頭空饋信號和射頻目標(biāo)模擬器的關(guān)鍵部件，其性能的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到毫米波半實物仿真系統(tǒng)的整體性能。目前，毫米波的應(yīng)用主要集中在8 mm波段（Ka波段）和3 mm波段（W波段）［2］。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，Ka波段的應(yīng)用趨于成熟。然而W波段由于國內(nèi)器件、材料以及工藝等因素的限制［3］，發(fā)展比較緩慢，國內(nèi)的報道大多都集中于單元器件，而組件和系統(tǒng)設(shè)計較少［4］。

文中正是基于以上背景，主要對應(yīng)用在毫米波制導(dǎo)體制半實物仿真試驗系統(tǒng)中的收發(fā)變頻組件進(jìn)行了研究。首先對該組件的系統(tǒng)架構(gòu)和工作原理進(jìn)行了系統(tǒng)描述；其次對組件中核心分部件的選型和性能以及在系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析和論證；再次針對當(dāng)前高分辨、抗干擾雷達(dá)體制的要求，對該組件進(jìn)行了雙極化方面的拓展研究；最后對該組件在實際的雷達(dá)體制半實物仿真試驗系統(tǒng)中的應(yīng)用給出了數(shù)據(jù)分析和結(jié)論。

1　變頻組件系統(tǒng)組成

3mm變頻組件包括下變頻部分和上變頻部分，下變頻部分負(fù)責(zé)信號的接收，上變頻部分負(fù)責(zé)信號的發(fā)射。其原理框圖見圖1所示。下變頻單元對從矩形喇叭天線接收的W波段3 mm雷達(dá)信號進(jìn)行均衡、放大及濾波處理，與接收到射頻信號源產(chǎn)生的100 MHz基準(zhǔn)信號并經(jīng)過組件內(nèi)部倍頻、放大、濾波處理產(chǎn)生84 GHz本振信號混頻濾波處理后，使毫米波信號下變頻到X波段（8 GHz～12 GHz）的低中頻信號，然后輸出給偵收單元做進(jìn)一步的處理。此處低中頻處理過程采用撥碼開關(guān)的方式形成中頻自動增益控制模塊對輸出信號進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。同理，上變頻過程就是把射頻信號源或者射頻干擾源生成的低中頻X波段（8 GHz～12 GHz）雷達(dá)信號經(jīng)過均衡、濾波及放大處理后，上變頻到W波段3 mm毫米波信號，并通過喇叭天線輻射出去。

圖1　變頻組件原理框圖

2　器件選型和指標(biāo)分析

2.1中頻放大器

中頻信號經(jīng)由濾波器、放大器進(jìn)入混頻器中頻端做上變頻信號，濾波器是為防止84 GHz本振信號回竄至中頻端，放大器提供所需變頻增益。

中頻放大器選用HMC516和HMC565兩級放大，兩者主要性能指標(biāo)見表1和表2所示。

表1　HMC516主要參數(shù)

前級中頻放大器采用HMC565，其小信號增益為23 dB，輸出級中頻放大器采用HMC516，其小信號增益為20 dB，典型的輸出P-1為+12 dBm，末級加入10 dB衰減片后調(diào)整的P-1為+2 dBm。當(dāng)發(fā)射中頻信號為-25 dBm時，整個中頻通道增益約為30 dB，且輸出功率為+2 dBm。

中頻信號送入3 mm通道后，經(jīng)由混頻器、濾波器、放大器和開關(guān)送達(dá)天線向外發(fā)射。濾波器的作用是為濾除84 GHz本振信號的泄露，以提高射頻信號和本振信號的隔離度，功放的作用是射頻信號達(dá)到所需的發(fā)射功率，其后的單刀雙擲開關(guān)可以通過TTL電平控制選通輸出。

表2　HMC565主要參數(shù)

2.2混頻器

以上變頻過程為例。

圖2　上混頻原理

通過圖2和表3的混頻過程分析發(fā)現(xiàn)，在諧波混頻的過程中，本振和中頻的6階分量和7階分量都會落在信號帶內(nèi)，這就要求合理選擇中頻發(fā)射功率。過大的中頻發(fā)射功率會導(dǎo)致帶內(nèi)雜散過高，不符合系統(tǒng)要求。過低的中頻發(fā)射功率會導(dǎo)致最終的3 mm發(fā)射功率不足。根據(jù)整體系統(tǒng)的性能要求和實際的應(yīng)用要求，并且兼顧雜散和3 mm發(fā)射功率要求，這里選擇中頻發(fā)射功率為+2 dBm。

表3　諧波混頻結(jié)果示意

實際測量中，混頻器實際插入損耗為18 dB。

2.33mm低噪聲、高增益放大器

3mm放大器選用CGY2190管芯，其主要性能參數(shù)如表4所示，器件資料顯示，在92～96 GHz的頻段上，放大器增益約為20 dB，輸出功率為+2 dBm，單刀雙擲開關(guān)的插入損耗為3 dB，計入微帶線損耗，放大器及開關(guān)模塊增益約為16 dB。整個3 mm通道的增益合計為-18 dB+16 dB=-2 dB，當(dāng)它收到來自中頻的+2 dBm信號，輸出信號功率在-1 dB左右，滿足設(shè)計要求。

表4　CGY2190放大器主要性能參數(shù)

2.4自動增益控制

在下變頻過程中，混頻器輸出中頻信號經(jīng)由AGC放大器、濾波器和中頻功放輸送至后級信號處理機(jī)。AGC中頻放大器是為了提供所需功率并控制功率衰減的模塊；濾波器的作用是為濾除84 GHz本振信號的泄露，以提高中頻信號和本振信號的隔離度，中頻功放的作用是保證輸出信號的P-1值大于15 dBm。

中頻放大器選用HMC516和HMC565，兩級放大器可實現(xiàn)40 dB增益。中頻功放選用的芯片是HITTE公司的HMC451芯片，其增益為20 dB，輸出P-1值為20 dBm，加入數(shù)控衰減芯片HMC424和固定衰減片（衰減量為15 dB）后，可以調(diào)節(jié)整個中頻通道增益為43 dB，輸出P-1＞15 dBm。

數(shù)控衰減芯片可以通過5位撥碼開關(guān)控制，實現(xiàn)步進(jìn)1 dB、總衰減量為30 dB的衰減控制。

2.5組件噪聲分析

噪聲系數(shù)作為影響雷達(dá)威力的重要參數(shù)，在雷達(dá)系統(tǒng)工程設(shè)計時必須進(jìn)行評估和控制。噪聲系數(shù)越低，雷達(dá)系統(tǒng)的信號傳輸質(zhì)量更高，誤碼率更低［5］。上下變頻組件作為雷達(dá)系統(tǒng)的一部分，它由多個電路單元級聯(lián)組成，而級聯(lián)電路的總噪聲系數(shù)為：

式中：Fi為第i級電路的噪聲系數(shù)；Gi為其對應(yīng)的功率增益。

不妨以下變頻為例，前端低噪放仍然采用CGY2190管芯，它的噪聲系數(shù)為2.8，增益為20 dB，濾波器實測插入損耗0.5 dB，混頻變頻損耗為18 dB，根據(jù)式（1）可計算3 mm通道噪聲系數(shù)為4.2 dB，足以滿足系統(tǒng)要求。

3　雙圓極化實現(xiàn)與組件測試結(jié)果分析

3.1雙圓極化

雷達(dá)目標(biāo)的極化特性是繼能量、頻率和相位特性之后成為雷達(dá)信息處理和電子對抗等領(lǐng)域的重要研究對象，在射頻半實物仿真試驗中，為了開展雷達(dá)尋的制導(dǎo)導(dǎo)彈在諸如反雜波、抗電子干擾、反隱身、目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)刻畫、特征提取與目標(biāo)識別等方面的試驗研究［5］，對射頻收發(fā)組件進(jìn)行了圓極化加載。

如圖1所示，通過在發(fā)射喇叭天線前端加載圓極化器，利用TTL電平控制單刀雙擲開關(guān)來分時發(fā)射左、右旋圓極化信號。圓極化器的實現(xiàn)可以通過在圓喇叭饋電口圓波導(dǎo)內(nèi)插入膜片、脊、銷釘、介質(zhì)板或在圓波導(dǎo)對稱壁上開槽等技術(shù)實現(xiàn)［6］。加載圓極化器，目的主要是為了建立目標(biāo)極化散射矩陣S，通過射頻后端采用極化分集技術(shù)、自適應(yīng)極化捷變技術(shù)等技術(shù)開展雷達(dá)極化域抗干擾技術(shù)的研究。

極化散射矩陣包含著豐富的極化信息，而極化信息對解決當(dāng)前雷達(dá)面臨的四大威脅（隱身、干擾、低空突防、反輻射導(dǎo)彈）和提高目標(biāo)識別能力具有重要的意義。

3.2組件的測試與分析

為了驗證該變頻組件的工作性能，將該變頻組件引入到射頻半實物仿真實驗室進(jìn)行測試，測試簡圖如圖3所示。放置在三軸轉(zhuǎn)臺上的雷達(dá)尋的導(dǎo)引頭發(fā)射W波段3 mm空饋信號，變頻組件通過在無回波暗室接收導(dǎo)引頭信號下變頻到X波段送給目標(biāo)模擬器（圖中未畫出），目標(biāo)模擬器對來波信號進(jìn)行延遲、調(diào)制處理生成X波段目標(biāo)信號并傳輸給射頻組件，射頻組件將目標(biāo)信號上變頻到W波段空饋傳遞給導(dǎo)引頭。

以下變頻為例，導(dǎo)引頭發(fā)射W波段步進(jìn)頻信號，用Agilent N9918A頻譜儀觀測 X波段信號如圖4所示。

圖3　射頻組件測試簡圖

圖4　射頻組件測試頻譜圖

從圖4可以看出，該組件帶內(nèi)信號平坦，信號幅度起伏在±1.5 dB以內(nèi)，帶外抑制能力強(qiáng)，信號工作帶寬大，頻譜性能好等特點。進(jìn)一步，通過長時間和不同方案的測試，該組件具有幅相性能穩(wěn)定，帶內(nèi)信號一致性好，帶外雜散少，動態(tài)范圍大（大于70 dB），抗噪能力強(qiáng)，工作帶寬寬（可達(dá)4 GHz），極化性能優(yōu)越的特點。

4　結(jié)論

文中對應(yīng)用在毫米波雷達(dá)尋的制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)中的射頻收發(fā)組件進(jìn)行了研究，給出了收發(fā)組件設(shè)計原理框圖。主要對組件中關(guān)鍵器件和性能指標(biāo)進(jìn)行了分析和研究，此外，對組件的極化加載也進(jìn)行了可行性分析和研究。最后將該組件引入到射頻半實物仿真系統(tǒng)中進(jìn)行了測試和檢驗，結(jié)果表明該組件設(shè)計良好，性能優(yōu)越，滿足3 mm雷達(dá)尋的制導(dǎo)半實物仿真的要求。

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Design of 3 mm Dual-polarization T/R Frequency Conversion Module

LIU Pingan，LIU Manguo，ZHOU Fan，ZHANG Duo，ZHANG Jiannan
（No.203 Research Institute of China Ordnance Industries，Xi’an 710065，China）

In this thesis，a design scheme for 3 mm T/R frequency conversion module in millimeter guidance hardware-in-the-loop simulation system was introduced.Those placed in module such as IF amplifier，sub-harmonic mixer，3 mm low noise amplifier and automatic gain control（AGC）were mainly analyzed and researched.In this article，a feasible scheme of loading a circular polarizer in the front of the module to achieve anti-jamming and high-resolution was further put forward.According to radar seeker simulation test，the module is proved with fine amplitude and phase consistency，large dynamic scope，high signal-noise-ratio，good spectrum performance and other excellent characteristics in the millimeter guidance hardware-in-the-loop simulation system.

millimeter wave guidance；frequency conversion module；low noise amplifier；automatic gain control

TN858

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.008

2015-01-13

劉平安（1988-），男，陜西洋縣人，工程師，碩士，研究方向：射頻仿真。