一種數(shù)字T/R組件設(shè)計

袁毛 袁君

摘要 數(shù)字T/R組件是雷達的重要組成部分，數(shù)字T/R組件的好壞直接影響到了雷達的整個性能。本文從采樣時鐘、接收變頻等關(guān)鍵點提出了一套技術(shù)方案，實現(xiàn)波形還原理想化、接收變頻軟件化、波形產(chǎn)生理想化、時鐘傳輸簡潔化、功放電路高效化，達到數(shù)字T/R組件高性能、小型化的目的。

【關(guān)鍵詞】有源相控陣雷達 數(shù)字T/R組件 軟件化

數(shù)字T/R組件是有源相控陣雷達中的核心組件之一。本文提出了一種數(shù)字T/R組件設(shè)計方案，該數(shù)字T/R組件具有頻點分辨率高、接收變頻方式靈活性高、通用性高、數(shù)字波形產(chǎn)生靈活可控、時鐘傳輸簡潔可靠、可保證相位一致性、功放電路模塊體積小、重量輕、高效率的特點。

1 設(shè)計方案

1.1 D/A采樣時鐘

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，D/A采樣時鐘應(yīng)至少大于2倍信號帶寬的采樣頻率。為了更高分辨率，和還原出理想的波形，以及方便濾波器設(shè)計，采用大于4倍信號帶寬的采樣率。

1.2 接收變頻

雷達接收變頻設(shè)計采用數(shù)字接收機替代常規(guī)的接收機，數(shù)字接收機是軟件無線電在雷達接收機的一種應(yīng)用，其核心思想是：構(gòu)造一個開放性、標準化、模塊化的通用平臺，將各種功能（如工作頻率、調(diào)制解調(diào)形式、數(shù)據(jù)格式等）用軟件來完成，并使高速寬帶A/D轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近接收前端以至天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線電系統(tǒng)。軟件無線電可以通過增加軟件模塊，很容易增加新的功能，也可以根據(jù)所需功能的強弱，取舍選用的軟件模塊。同時，軟件無線電采用了標準化、模塊化的結(jié)構(gòu)，其硬件可以隨著器件和技術(shù)的發(fā)展而更新或擴展，其軟件也可以隨著需要而不斷升級，需要時還能做到新體制和舊體制產(chǎn)品的互相兼容。

數(shù)字接收機相對于常規(guī)的接收機具有很大的優(yōu)勢：

（1）信號在射頻或中頻直接采樣而無需通過檢波，可保留更多的信息;

（2）數(shù)字化信號可以長期被存儲，可用更靈活的信號處理方法從數(shù)字信號中提取所希望的信息，具有極高的測量參數(shù)精度;

（3）高速多位A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用，不僅提高了數(shù)字接收機的工作頻率，擴展了工作帶寬，而且A/D轉(zhuǎn)換器有效位數(shù)的增加，也大大擴展了接收機的瞬時動態(tài)范圍;

（4）開放性、標準化、模塊化的通用平臺和軟件，使數(shù)字接收機具有高度的靈活性、開放性和通用性。

1.3 數(shù)字射頻波形產(chǎn)生

傳統(tǒng)的射頻波形存儲直讀法存在改變載頻不方便的缺點;直接數(shù)字頻綜D/A的方法對系統(tǒng)重復(fù)周期和采樣時鐘頻率要求較高，選擇不當(dāng)會影響信號的相參性;基帶波形直讀+數(shù)字上變頻+模擬I/Q調(diào)制器一般用于寬帶波形產(chǎn)生的方法除了能保證信號的相參性，還能方便的改變載頻頻率和信號的初相。同時，這種波形產(chǎn)生方法的載漏和鏡像抑制相對于單純的基帶波形直讀+模擬I/Q調(diào)制器的波形產(chǎn)生方法更有優(yōu)勢。

基帶波形數(shù)據(jù)由波形產(chǎn)生計算機生成，并和主控機產(chǎn)生的控制信號通過上行光纖送到T/R組件中光纖傳輸控制模塊中。T/R組件控制模塊先將波形數(shù)據(jù)進行暫存，發(fā)射波形時，將波形取出進行數(shù)字延時和發(fā)射預(yù)正交后，根據(jù)同步器發(fā)出的同步觸發(fā)信號將波形數(shù)據(jù)流送入D/A芯片，此時數(shù)字信號通過數(shù)字上變頻及相關(guān)處理轉(zhuǎn)換為模擬I、O中頻信號，再經(jīng)過正交調(diào)制器、濾波放大后形成發(fā)射所需要的激勵信號。

由于基帶波形存儲器的波形數(shù)據(jù)可以隨時更新或切換，輸出波形的時寬、帶寬、周期等都可以受控實時改變，因此可以生成周期或瞬時的任意波形信號，而且該技術(shù)能夠很方便的對信號的幅度和相位進行失真補償，從而使系統(tǒng)的輸出波形達到或接近理想波形。

l.4 時鐘傳輸

時鐘傳輸常規(guī)方法是采用多套功分網(wǎng)絡(luò)方案，多套功分網(wǎng)絡(luò)方案即每路時鐘信號單獨傳輸，這種方案有諸多缺點：

（1）線纜數(shù)量會成倍增加，不利于陣面擴展和布線;

（2）對外對內(nèi)接口都會成倍增加，不利于整體布局和小型化設(shè)計;

（3）功分網(wǎng)絡(luò)的增加，使時鐘信號相位一致性更難保證，要想保證對電纜要求會更高

（4）設(shè)計和生產(chǎn)成本會明顯增加;

（5）陣面布線復(fù)雜，功分網(wǎng)絡(luò)數(shù)量多，會降低整機可靠性及維修性。

為盡量避免這些缺點，時鐘傳輸采用倍頻器方案，倍頻器方案工作原理框圖如圖2所示。頻率源產(chǎn)生的基準時鐘和定時板產(chǎn)生的脈沖調(diào)制信號通過雙工器合成一路合信號，再通過一套功分網(wǎng)絡(luò)送至天線陣面每個T/R組件。合信號在T/R組件內(nèi)通過雙工器將基準時鐘信號和脈沖調(diào)制信號分解開。脈沖調(diào)制信號通過檢波器解出導(dǎo)前信號送給FPGA，基準時鐘信號經(jīng)過倍頻器產(chǎn)生T/R組件工作所需要的時鐘信號。

倍頻器方案相對于多套功分網(wǎng)絡(luò)方案而言，節(jié)省了一套導(dǎo)前傳輸光功分網(wǎng)絡(luò)，不管是在成本上還是在測試性上都更具有優(yōu)勢。因基準時鐘信號及脈沖調(diào)制信號的傳輸頻率都不高，達到T/R組件的功率也不要求太大，故時鐘功分網(wǎng)絡(luò)可以用無源功分網(wǎng)絡(luò)，這樣相位一致性及可靠性會更好保證。倍頻器相對于多工器而言，設(shè)計及硬件電路會更復(fù)雜，這樣對電磁兼容設(shè)計要求會更高。但只要合理布局及采取充分的隔離措施，倍頻器方案應(yīng)該是比較簡潔可靠的方案。

1.5 功放電路

功放管是放大器的心臟，它的性能將很大程度上影響整個放大器的性能。寬禁帶氮化鎵（ GaN）高電子遷移率晶體管（High ElectronMobility Transistor，HEMT）具有高擊穿電壓、大電流輸運能力、高功率密度及良好的頻率特性，能滿足寬帶、高效率、大功率、小型化固態(tài)發(fā)射的需求。采用第三代寬禁帶材料制作的體積小、重量輕、高效率的固態(tài)T/R模塊，可以滿足新一代有源相控陣雷達在功率輸出、功率密度、效率、線性、工作電壓和溫度方面的新要求，在尺寸、可靠性方面比Si和GaAs制造的固態(tài)放大器和電子管放大器更有優(yōu)勢。

2 結(jié)束語

本文采用較高的D/A采樣時鐘以達到提高頻點分辨力，還原出理想波形的目的。接收變頻方案引入了“軟件化”的概念，靈活性高、更具開放性、通用性。基帶波形直讀+數(shù)字上變頻+模擬I/Q調(diào)制器方法保證了信號的相參性，并使輸出波形靈活可控。時鐘傳輸電路簡單可靠，保證相位一致性，高性能功放管的采用保證了雷達數(shù)字T/R組件功率、效率、小型化方面的要求。

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