雙流機(jī)場天氣雷達(dá)接收前端國產(chǎn)化的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

郭方++王蔚

摘 要：為提高雙流機(jī)場天氣雷達(dá)正常運(yùn)行的保障力度。經(jīng)過綜合考慮和調(diào)研，西南空管局氣象中心決定對天氣雷達(dá)射頻接收前端系統(tǒng)進(jìn)行國產(chǎn)數(shù)字化改造，包括限幅器-LNA組合前端、下變頻器、中頻部件等器件。射頻接收前端系統(tǒng)改造完成試運(yùn)行后通過參數(shù)測試，在功能上已基本滿足使用要求。為雷達(dá)產(chǎn)品對比分析和其他器件的國產(chǎn)化改造工作打下了基礎(chǔ)，希望能對其他采用進(jìn)口天氣雷達(dá)的氣象部門有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：雙流機(jī)場天氣雷達(dá) 國產(chǎn)數(shù)字化改造 射頻接收前端系統(tǒng) 對比分析

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（a）-0089-03

雙流機(jī)場天氣雷達(dá)由美國EEC公司生產(chǎn)，于2003年投入使用，所用接收機(jī)為模擬接收機(jī)。作為接收機(jī)重要組成部分的射頻接收前端系統(tǒng)是衡量接收機(jī)動態(tài)性能的關(guān)鍵部件[1]，它主要包括限幅器-LNA組合前端（限幅保護(hù)器、低噪聲放大器）、下變頻器（C波段濾波器、低噪聲放大器、混頻器和中頻濾波器）、中頻部件（線性中頻放大器、中頻濾波器、功分器和對數(shù)放大器）等，由于產(chǎn)接收機(jī)的范疇，因此該系統(tǒng)也包含了頻綜這一部分。射頻接收前端系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。除頻綜以外，其他部分全部封裝在一個屏蔽盒內(nèi)。電源部分對射頻接收前端系統(tǒng)供電，頻綜的5 660 MHz輸出通過一個腔體窄帶濾波器處理后，其頻譜更純，作為接收機(jī)的本振信號。由于頻綜工作時發(fā)熱較為嚴(yán)重，因此特別設(shè)計了一個冷卻風(fēng)扇，來對頻綜進(jìn)行風(fēng)冷處理。這一搭配從原理和性能上均有不錯的表現(xiàn)，但是由于發(fā)射射頻信號為5 630 MHz，正好落在一個寬頻的其他干擾信號的頻帶內(nèi)，造成接收信號的異常。為解決這一問題，將設(shè)計[2]改成在頻綜的上層，增加一個變頻電路，使發(fā)射信號偏離干擾頻帶。

1 系統(tǒng)信號流程

1.1 發(fā)射信號

頻綜輸出47.5 MHz、5 560 MHz和5 630 MHz 3個相參的、正弦連續(xù)波信號[3]。47.5 MHz參考信號被一個功分器一分為二，一路仍然作為數(shù)字接收機(jī)與信號處理器的參考基準(zhǔn)輸入，另一路則作為變頻器的輸入信號。變頻器由ZMX-7GR無源混頻器擔(dān)任，將頻綜輸出的5 530 MHz信號作為混頻器的本振輸入信號；將混頻器的中頻輸出端用作信號輸入端，送入47.5 MHz信號；將混頻器的射頻輸入端用作變頻輸出端，進(jìn)行混頻處理，得到混頻后的5 582.5 MHz信號和其他頻率成分。通過腔體窄帶濾波器后，5 582.5 MHz信號輸出，其他信號被濾除掉，該信號作為發(fā)射射頻信號。5 582.5 MHz的發(fā)射射頻信號，被送入射頻前置放大器（即前面提到的發(fā)射信號產(chǎn)生與驅(qū)動電路）中，首先被調(diào)制成具有升余弦形狀的射頻脈沖，然后被放大到具有足夠的輸出功率（≥8 W）。

速調(diào)管功率放大。該信號被輸入到速調(diào)管（這時主要增益級），進(jìn)行功率放大，作為功率微波源，從天線發(fā)射出去，探測氣象數(shù)據(jù)。

1.2 接收信號

降水目標(biāo)產(chǎn)生的回波，被天線接收以后，通過饋線送到接收前端。

為了回波信號的信噪比不至于因?yàn)橥S電纜傳輸?shù)乃p而明顯下降，高頻放大的第一級前移到這里來。信號被放大后，傳輸衰減的影響大為減少。

濾除帶外信號，對傳輸衰減進(jìn)行補(bǔ)償性放大后，信號在這里與本振信號一起，被混頻器混頻，生成中頻信號，經(jīng)濾波后輸出，無需像模擬接收機(jī)那樣，要把中頻作為主要增益部件。在數(shù)字中頻接收機(jī)中，中頻部件要采用線性中頻放大器（對數(shù)放大器會造成頻譜的變化，影響多普勒性能），增益要求也不能太高。中頻信號在這里被放大約25 dB，扣除掉中頻濾波器、功分器以及線路衰減外，仍有18 dB左右的實(shí)際增益。從功分器分出兩路信號來，一路作為數(shù)字中頻接收機(jī)的輸入信號，另一路則被送到對數(shù)放大器中去。在對數(shù)放大器中信號被放大、檢波后，送出帶檢查接口。通過示波器可以方便地觀察對數(shù)視頻信號，用于分析和判斷接收機(jī)前端以及數(shù)字接收機(jī)的性能。

1.3 數(shù)字信號

線性中頻信號被送到數(shù)字接收機(jī)與信號處理器中，由數(shù)字中頻接收機(jī)直接將模擬中頻信號變成數(shù)字中頻信號，經(jīng)過數(shù)字下變頻處理，形成復(fù)基帶信號（I/Q信號），同時可以獲得處理增益，提高信號的信噪比，并提高系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

在數(shù)字信號處理器中，復(fù)基帶信號被處理成基本的物理數(shù)據(jù)，即反射率因子、平均速度和速度譜寬，這些物理量被送到計算機(jī)中，進(jìn)行顯示、傳輸和存儲，已被氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2 限幅器-LNA組合前端及下變頻器

限幅器-LNA組合前端包括一個無源限幅保護(hù)器（型號WLM-73-1W-S+）和一個低噪聲放大器1（型號TA053-059-22-10），置于接收放大鏈的最前端。

2.1 限幅器

限幅器WLM-73-1W-S+作為環(huán)流器和波導(dǎo)限幅保護(hù)器的輔助保護(hù)措施，對大功率發(fā)射的微波的泄漏進(jìn)行最后一級的保護(hù)。

2.2 低噪放和下變頻器

低噪放采用高性能模塊TA053-059-22-10。下變頻的前端設(shè)有一個C波段濾波器（窄帶腔體濾波器，中心頻率5 582.5 MHz）和一個低噪聲放大器（ERA-2SM，噪聲系數(shù)4 dB，在5 582.5 MHz頻率時增益9 dB），在混頻器（ZMX-7GR）中實(shí)現(xiàn)下變頻（本振信號5 660 MHz@10dBm），通過中頻濾波器（SBP-70+）輸出77.5 MHz中頻信號。

2.2.1 補(bǔ)償性放大

由于限幅器-LNA組合輸出的線路太長（超過2 m），傳輸損耗比較嚴(yán)重。因此，前端信號送來、進(jìn)行一次濾波后，需對這種衰減進(jìn)行補(bǔ)償性放大。ERA-2SM能滿足這種較低增益的放大要求。

2.2.2 下變頻

下變頻由ZMX-7GR混頻器擔(dān)任。頻綜送來的本振信號，在圖1中表示為經(jīng)過一個可調(diào)衰減器來調(diào)整輸入功率。實(shí)際調(diào)試中，采用一個極窄帶濾波器，將頻綜內(nèi)的其他頻率雜散濾除掉，效果很好。濾波器的插損正好可以省掉衰減器?；祛l后得到中頻信號，該77.5 MHz中頻信號經(jīng)過中頻濾波器后送到下一級去。中頻濾波器采用SBP-70+模塊，其中心頻率為70 MHz，77.5 MHz中頻頻率略微偏離中心，但衰減不大，其通帶插損約為1.5 dB。

3 中頻組成部件

中頻部件[4]包括線性中頻放大器、中頻濾波器功分器和對數(shù)放大器等部分。

3.1 中頻放大器

中頻放大器與中頻濾波器組成一個通帶放大器。中頻放大器選用GVA-82+集成寬帶放大器，+5 V供電，15 dB的增益，20 dBm的1 dB壓縮點(diǎn)，很適合用作中放。其6 dB的噪聲系數(shù)，在中頻放大的位置，幾乎沒有影響。中頻濾波器仍采用SBP-70+模塊。

3.2 功分器

中頻功分器采用WILKINSON SPLITTER電路實(shí)現(xiàn)，中頻功分器的工作頻率范圍可達(dá)100 MHz，回路損耗約18 dB，插入損耗約3.3 dB，隔離度約20 dB。功分器前端也設(shè)計一個補(bǔ)償性放大器，采用GVA-81+集成寬帶放大器，+5 V供電，10 dB的增益，15 dBm的1 dB壓縮點(diǎn)。這兩部分封裝在一個屏蔽盒內(nèi)。

至此，有兩路中頻輸出，一路連接到一個對數(shù)中頻放大器上，另一路連接到數(shù)字中頻接收機(jī)上。

3.3 對數(shù)中頻放大器

對數(shù)中頻放大器的目的是為了產(chǎn)生一個方便檢查的信號，這樣有利于對雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)性能的估測和分析。對數(shù)中頻放大器采用集成器件AD8309，做成模塊形式，由6級高低雙增益模塊組成，每個雙增益模塊最高增益12 dB。對每級模塊的輸出進(jìn)行檢波，并電流疊加，再有電流-電壓轉(zhuǎn)換器以電壓的形式，輸出與輸入功率的對數(shù)成正比的電壓信號。

4 頻綜

頻綜為外購件，47.5 MHz和5 560 MHz為常態(tài)輸出的正弦連續(xù)波信號。5 630 MHz為受調(diào)制的輸出信號，屬于ASK類型。通過ASK輸入一個TTL電平的脈沖信號，可以產(chǎn)生射頻脈沖輸出。但是這種階躍性的調(diào)制會導(dǎo)致頻譜較大程度的擴(kuò)散，因此，在雷達(dá)發(fā)射信號上，一般不能這樣使用。實(shí)際應(yīng)用中，把ASK直接接成高電平，則5 630 MHz也變成了正弦連續(xù)波信號。

這三個信號是相參的，輸出功率均接近15 dBm。正如前述，5 560 MHz信號作為接收鏈路的本振信號，要經(jīng)過一個窄帶濾波器，送到混頻器ZMX-7GR的本振輸入時，功率大約達(dá)到10 dBm。

對無源混頻器ZMX-7GR進(jìn)行的理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，該混頻器的本振信號LO仍作為輸入不變，另外兩個端口可以交替使用，就是將中頻輸出IF作為輸入，而將射頻輸入RF作為輸出，則RF上差頻的分量比較強(qiáng)。47.5 MHz從IF輸入，5 530 MHz從LO輸入，混頻輸出得到5 582.5 MHz信號，通過腔體窄帶濾波器后，作為發(fā)射的射頻信號源。

5 結(jié)論

接收機(jī)理論指出[5]，接收機(jī)靈敏度（最小接收信號）Simin與接收機(jī)帶寬Bn及其噪聲系數(shù)F0有關(guān)：

Simin=-114dB+10·lgBn（MHz）+10lgF0

接收機(jī)帶寬表明了能通過接收機(jī)的噪聲多寡；噪聲系數(shù)F0則表明了接收機(jī)產(chǎn)生額外噪聲的程度。在沒有其他處理的條件下，一般超外差接收機(jī)的靈敏度為-90～110 dBm。

該系統(tǒng)模擬射頻前端的噪聲系數(shù)優(yōu)于2 dB，最小脈寬0.8μs時，帶寬最大為1.25 MHz。此時，計算得到接收機(jī)靈敏度為-111 dBm。實(shí)際測量中，通過測量對數(shù)視頻的輸出，可以判斷，模擬射頻前端的靈敏度與計算值相當(dāng)。為了準(zhǔn)確測量，在射頻前端的限幅器-LNA組合的輸入端作為輸入，以中頻功分器輸出的中頻信號作為輸出，信號源頻率調(diào)5 582.5 MHz作為標(biāo)準(zhǔn)信號，設(shè)置不同功率電平，對輸出端的77.5 MHz中頻信號進(jìn)行功率測量，得到結(jié)果如圖2所示?？梢姡瑒討B(tài)范圍超過90 dB，靈敏度優(yōu)于-110 dBm，線性度優(yōu)于±0.5 dB。在數(shù)字中頻接收機(jī)中，由于數(shù)字下變頻的處理增益和數(shù)字視頻積分的累積增益（總共不會少于15 dB），最終結(jié)果原則上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬前端的性能，沒有變得更差的理由。

參考文獻(xiàn)

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