雷達(dá)通信一體化中數(shù)字陣列模塊的研究

李　偉　劉曉政　夏　艷　杜　瑞

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所　合肥　230088)

0　引言

雷達(dá)通信一體化技術(shù)[1-2]是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，它可以通過(guò)雷達(dá)/通信一體化設(shè)計(jì)，使雷達(dá)完成對(duì)敵目標(biāo)搜索、探測(cè)、跟蹤的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量、高速度的雙向數(shù)據(jù)通信，減少分立裝備的數(shù)量，提高電子系統(tǒng)裝備的一體化水平、平臺(tái)適裝性和綜合作戰(zhàn)效能。

本項(xiàng)目構(gòu)建的寬帶數(shù)字陣列雷達(dá)/通信一體化集成試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)共享硬件平臺(tái)、時(shí)間和空間資源，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和通信功能的兼容工作而互不干擾，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)、多點(diǎn)通信等多種功能。

窄帶探測(cè)工作模式下，系統(tǒng)發(fā)射帶寬為2.5MHz窄帶雷達(dá)信號(hào)，進(jìn)行空域搜索，完成常規(guī)雷達(dá)探測(cè)功能；寬帶通信模式下，系統(tǒng)工作帶寬為150MHz，與其它通信終端進(jìn)行寬帶通信。雷達(dá)和通信采用時(shí)分復(fù)用的方法，在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)雷達(dá)功能和通信功能。

系統(tǒng)進(jìn)入通信方式之前，一般處于雷達(dá)工作方式，在空間形成波束并掃描，搜索到目標(biāo)后，如果身份已經(jīng)確認(rèn)并需要進(jìn)行通信時(shí)，轉(zhuǎn)入通信方式，此時(shí)波束始終跟蹤通信目標(biāo)，發(fā)射通信信號(hào)，完成通信功能。當(dāng)通信結(jié)束后，轉(zhuǎn)入雷達(dá)工作方式，繼續(xù)執(zhí)行雷達(dá)空域搜索和跟蹤任務(wù)。

系統(tǒng)也可采用雷達(dá)通信一體化波形工作模式，該模式下，系統(tǒng)工作帶寬為20MHz；發(fā)射波形采用正交化技術(shù)，將雷達(dá)波形與通信波形信號(hào)設(shè)計(jì)為一體化信號(hào)，系統(tǒng)同時(shí)完成了通信和雷達(dá)探測(cè)功能。本系統(tǒng)中通信波形采用LFM+MSK方式，即用MSK通信信號(hào)調(diào)制LFM信號(hào)產(chǎn)生通信波形。

寬帶數(shù)字陣列模塊(DAM)[3]是寬帶數(shù)字陣列雷達(dá)[4]的核心組件，研究雷達(dá)、通信等信號(hào)的波形產(chǎn)生的硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)，研究對(duì)接收到的雷達(dá)、通信信號(hào)進(jìn)行放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換的硬件實(shí)現(xiàn)。

本文研究和設(shè)計(jì)了雷達(dá)/通信一體化中的寬帶數(shù)字陣列模塊，其具有較高的集成度和良好的技術(shù)指標(biāo)，在與數(shù)字陣列雷達(dá)其他分系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中體現(xiàn)了很好的性能。

1　功能與組成

數(shù)字陣列雷達(dá)收發(fā)分系統(tǒng)主要由DAM、參考頻率源和收發(fā)校正系統(tǒng)等組成。DAM主要由多路模擬收發(fā)通道、多路數(shù)字收發(fā)模塊和本振功分器和分布式電源等組成。如圖1所示。

本DAM的主要功能/工作過(guò)程：對(duì)接收通道，從天線(xiàn)來(lái)的回波信號(hào)進(jìn)入模擬收發(fā)通道經(jīng)放大、濾波，下變頻等處理后進(jìn)入數(shù)字收發(fā)模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字下變頻I、Q信號(hào)分離等后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換接口輸出給信號(hào)處理系統(tǒng)；對(duì)發(fā)射通道，從信號(hào)處理系統(tǒng)送來(lái)的信號(hào)經(jīng)DAM光電轉(zhuǎn)換接口送入數(shù)字收發(fā)模塊的FPGA和DAC，產(chǎn)生發(fā)射波形，進(jìn)入模擬收發(fā)通道通過(guò)微波開(kāi)關(guān)切換到發(fā)射通道，經(jīng)下變頻、濾波，功率放大等處理后，由環(huán)行器送至天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)射。

該產(chǎn)品主要指標(biāo)為：

工作頻段：S頻段

組件產(chǎn)生信號(hào)形式：LFM、MSK可選

信號(hào)瞬時(shí)帶寬：2.5MHz 、20MHz、150MHz可選

接收支路：

瞬時(shí)線(xiàn)性動(dòng)態(tài)：≥50dB(2.5MHz帶寬)

帶內(nèi)起伏：≤4.0dB(150MHz帶寬)

I/Q鏡像抑制：寬帶為50dB

發(fā)射支路：

激勵(lì)輸出脈沖功率：大于26W

改善因子限制：寬帶≥45dB

2　詳細(xì)設(shè)計(jì)

本數(shù)字陣列模塊設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括模擬收發(fā)通道的功率放大模塊、集成限幅低噪聲放大器、射頻濾波和中頻濾波、包含上下變頻通道的變頻組件和一體式數(shù)字收發(fā)模塊。其電路原理圖如圖2所示。其中，變頻組件單獨(dú)封裝后，與低噪放、射頻濾波器、發(fā)射前級(jí)功放等一起放在一塊變頻放大電路板上，16個(gè)通道的中頻開(kāi)關(guān)濾波器組放在一塊電路板上。

2.1　功率放大模塊

集成功率放大模塊將經(jīng)射頻濾波器濾波后射頻信號(hào)進(jìn)行多級(jí)功率放大，然后通過(guò)環(huán)行器向外輻射。該集成功率放大模塊集成了3級(jí)功率放大器，最大脈沖寬度250us，占空比≤10%，36V電源端效率>35%。

本設(shè)計(jì)通信信號(hào)形式為MSK、LFM，均為調(diào)頻信號(hào)，對(duì)于調(diào)頻而言，由于其信號(hào)形式是恒包絡(luò)調(diào)頻信號(hào)，其幅度失真不影響接收信號(hào)解調(diào)，因此這種情況下功放工作時(shí)并不需要回退，可以工作在飽和狀態(tài)，并能達(dá)到最大的輸出功率和輸出效率，可滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的26W輸出功率的要求。

2.2　限幅低噪聲放大器

集成限幅低噪聲放大器采用平衡放大設(shè)計(jì)方式，并集成了微波收發(fā)開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)接收通道和發(fā)射通道的切換。該集成限幅低噪聲放大器輸入、輸出駐波良好，抗燒毀能力強(qiáng)，噪聲系數(shù)≤1.5dB，通過(guò)系統(tǒng)仿真可知，接收鏈路噪聲系數(shù)可以達(dá)到3.1dB。

2.3　變頻組件

上下變頻通道采用一次變頻設(shè)計(jì)，混頻器采用單芯片高集成有源混頻器，通道的集成度大大提高。該變頻組件采用微組裝工藝，一體化管殼封裝直接在微帶板上表貼安裝。

經(jīng)測(cè)試，下變頻通道增益在工作帶寬內(nèi)為G=29～31dB,在我們工作的頻帶內(nèi)，1dB壓縮點(diǎn)處可見(jiàn)的雜波主要有本振5次和射頻4次混頻， 本振7次和射頻6次混頻。通過(guò)測(cè)試可知，信雜比>60dBc。

上變頻通道在我們工作的頻帶內(nèi)，1dB壓縮點(diǎn)處可見(jiàn)的雜波主要有6次中頻、本振2次和中頻3次混頻以及本振2次和中頻4次混頻。通過(guò)測(cè)試可知，信雜比>70dBc。

2.4　濾波器

本系統(tǒng)中涉及的濾波器，按照頻段分主要有射頻濾波器和中頻濾波器。在通道中的電路設(shè)計(jì)中，某些位置采用低通濾波器來(lái)濾除雜波信號(hào)。

射頻濾波器主要考慮本振抑制、鏡像抑制、交調(diào)抑制。

中頻濾波器位于中頻放大輸出，兼顧有帶寬切換功能，按照系統(tǒng)帶寬150MHz、20MHz、2.5MHz的要求，采用開(kāi)關(guān)濾波器組的形式，按照150MHz和20MHz兩種帶寬切換設(shè)計(jì)，對(duì)于2.5MHz的窄帶信號(hào)，在數(shù)字域采用數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)。

150MHz帶寬濾波器采用LC濾波器，20MHz帶寬濾波器采用聲表濾波器，仿真結(jié)果表明信道插損<4dB，各信道的通帶波紋<1dB，通帶輸入輸出駐波<2。

2.5　數(shù)字板

數(shù)字收發(fā)模塊通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的切換，射頻數(shù)字化采用高分辨率的ADC，數(shù)字波形產(chǎn)生采用DAC實(shí)現(xiàn)，數(shù)字上變頻(DUC)和數(shù)字下變頻(DDC)及低通濾波通過(guò)大容量的FPGA完成，基帶數(shù)據(jù)通過(guò)光纖與信號(hào)處理之間傳輸。如圖3所示。

FPGA自帶超高速的LVDS接口和基于Transceiver的超高速光纖接口，可完成ADC和DAC的信號(hào)同步和傳輸。

由于最大信號(hào)帶寬為150MHz時(shí)，輸入中頻頻率為485MHz～635MHz，根據(jù)中頻信號(hào)頻率f0和采樣頻率fs的關(guān)系

(1)

確定射頻數(shù)字化采樣頻率為320 MHz。選擇串口輸出的AD器件，經(jīng)測(cè)試該器件在485MHz～635MHz頻率范圍內(nèi)SNR可以達(dá)到49dB，帶內(nèi)起伏2.5dB，經(jīng)過(guò)DDC后的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍能夠滿(mǎn)足任務(wù)要求。

DAC可以產(chǎn)生任意的調(diào)制波形，并且可以預(yù)先在發(fā)射波形上進(jìn)行補(bǔ)償，以得到較好的帶內(nèi)一致性，但需要預(yù)先在FPGA中存儲(chǔ)基帶I/Q數(shù)據(jù)，故要使用一定的寄存器、存儲(chǔ)器資源。DAC器件可滿(mǎn)足采樣率為1.6GSPS的要求。

2.6　電源模塊

模擬電路和數(shù)字電路均通過(guò)機(jī)載36V電源統(tǒng)一供電，通過(guò)DC/DC變換獲得所需的多個(gè)品種的電源，電源還包含輸入、輸出過(guò)、欠壓保護(hù)電路，脈沖調(diào)制電路，BITE檢測(cè)電路等功能。電源的連續(xù)輸出電壓紋波可控制在100mV以?xún)?nèi)。

3　關(guān)鍵技術(shù)

在研制過(guò)程中主要采用如下關(guān)鍵技術(shù)：

1)寬帶DAM技術(shù)

DAM通過(guò)模擬收發(fā)部分開(kāi)關(guān)濾波器組設(shè)計(jì)、變頻方式等設(shè)計(jì)和數(shù)字AD等器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大帶寬和多個(gè)帶寬的切換，完成一體化通信。

2)一體化數(shù)字收發(fā)模塊設(shè)計(jì)技術(shù)

中頻選取頻率較高，對(duì)數(shù)字部分AD器件等要求高。應(yīng)用專(zhuān)用FPGA、DAC和多通道ADC技術(shù)，在一塊印制板上實(shí)現(xiàn)4通道的中頻數(shù)字化接收機(jī)和4通道的數(shù)字波形產(chǎn)生。通過(guò)共用光纖完成系統(tǒng)時(shí)序控制信號(hào)、通道基帶數(shù)字I/Q信號(hào)和DAM狀態(tài)信號(hào)的傳輸，從而達(dá)到收發(fā)一體化設(shè)計(jì)。

3)MCM變頻電路技術(shù)

DAM中變頻電路采用微系統(tǒng)組裝技術(shù)的變頻SIP。通過(guò)多功能裸芯片和金絲鍵合工藝，在HTCC多層陶瓷基板上實(shí)現(xiàn)高密度布線(xiàn)，體積小，低雜散電磁兼容性好。

采用多層HTCC陶瓷基板，布線(xiàn)密度高；采用多功能有源變頻芯片，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性；通過(guò)微組裝及金絲鍵合等工藝及平行封焊實(shí)現(xiàn)的良好的氣密性，封裝形式標(biāo)準(zhǔn)，方便了批產(chǎn)測(cè)試。

4　測(cè)試結(jié)果

DAM測(cè)試所需的本振信號(hào)2540MHz～2840MHz、AD、DA時(shí)鐘信號(hào)和20MHz參考信號(hào)由自制的頻率源提供，其雜散抑制和相位噪聲指標(biāo)優(yōu)良，且每路設(shè)置有故障報(bào)警BITE。

4.1　發(fā)射測(cè)試

通信波形采用LFM+MSK調(diào)制方式，20MHz帶寬時(shí)發(fā)射的雷達(dá)通信一體化信號(hào)，其測(cè)試結(jié)果如圖4所示。測(cè)試中采用了50dB衰減器，計(jì)算可知發(fā)射功率為27.1W，滿(mǎn)足要求。

數(shù)字陣列模塊發(fā)射改善因子I的測(cè)量，通常是使用頻譜儀，通過(guò)測(cè)試脈內(nèi)信噪比，并通過(guò)下面公式計(jì)算得到。

I=A(dB)+10lgBW(Hz)-10lgf(Hz)+10lg(Bτ)(dB)

(2)

式中：

A表示頻譜分析儀測(cè)得的信噪比；

BW表示頻譜儀的分辨率帶寬RBW(10Hz)；

f表示調(diào)制信號(hào)的重復(fù)頻率；

B表示信號(hào)帶寬；

τ表示脈寬；

這里脈沖寬度300us，占空比10%的脈沖信號(hào)，150M帶寬時(shí)的脈內(nèi)信噪比A如圖5所示可達(dá)到26dB，計(jì)算可得改善因子為57.3dB，滿(mǎn)足要求。

4.2　接收測(cè)試

通過(guò)信號(hào)源的掃頻模式，測(cè)得工作頻帶內(nèi)若干個(gè)點(diǎn)的帶內(nèi)起伏數(shù)據(jù)。其中中心頻率3.25G±75M范圍變化，可以測(cè)得模擬接收前端輸出中頻信號(hào)的寬帶性能，如圖6所示，帶內(nèi)起伏1.8dB。帶內(nèi)起伏滿(mǎn)足需求。

測(cè)試模塊的數(shù)字化接收指標(biāo)，采用通用微波信號(hào)源作為被測(cè)模塊通道的輸入信號(hào)，被測(cè)模塊通道的接收輸出信號(hào)是基帶數(shù)字正交信號(hào)，接收輸出信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)接口適配器送到計(jì)算機(jī)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算得出測(cè)試結(jié)果。測(cè)試采集波形如圖7所示。其中輸出功率6.6dBm，信噪比50.4dB，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍63.7dB，鏡像抑制度87.8dBc，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種S波段寬帶數(shù)字陣列模塊，通過(guò)理論計(jì)算、仿真以及級(jí)聯(lián)的部分主要器件的測(cè)試完成了設(shè)計(jì)，測(cè)試表明該系統(tǒng)發(fā)射和接收性能滿(mǎn)足使用要求，適合應(yīng)用在機(jī)載雷達(dá)通信一體化環(huán)境中。

參考文獻(xiàn):

[1]李廷軍, 任建存, 趙元立等. 雷達(dá)通信一體

化研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2001, 23(2): 1-2.

[2]袁剛. 雷達(dá)通信一體化波形應(yīng)用研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2014, 36(3): 19-22.

[3]王才華, 張德智, 張衛(wèi)清. 一種S波段數(shù)字陣列模塊的研制[J]. 雷達(dá)與對(duì)抗, 2014, 34(4): 54-58.

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

[5]劉志鵬. 雷達(dá)通信一體化波形分離算法研究[J]. 中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2013, 5: 481-485.