超導(dǎo)接收前端在L波段雷達(dá)中的應(yīng)用研究

孟憲猛

(安徽博微長安電子有限公司 安徽 六安 237012)

0 引言

對于L波段雷達(dá)，容易受到電臺、電視臺和無線基站等信號的干擾，隨著這些信號的分布點(diǎn)的增多，信號的功率密度的增大，會對雷達(dá)的性能造成嚴(yán)重影響[1]；另外，電子對抗中的阻塞式干擾、噪聲壓制干擾也會嚴(yán)重影響雷達(dá)的性能。

在L波段雷達(dá)接收前端的設(shè)計過程中，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，可將微波窄帶濾波器放置在低噪聲放大器之前，受到窄帶濾波器的技術(shù)水平限制，濾波器具有較大的插損，增加了接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，降低了系統(tǒng)的靈敏度；若將微波濾波器設(shè)計在低噪聲放大器之后。低噪聲放大器為寬帶器件，雷達(dá)工作頻段外的電臺、電視臺和通信基站等信號，會進(jìn)入低噪聲放大器，并在放大器中產(chǎn)生寬頻的交調(diào)信號，形成交調(diào)干擾，影響著雷達(dá)的性能[2]。

超導(dǎo)接收前端采用了具有較高頻率選擇特性的超導(dǎo)濾波器，濾波器可以實(shí)現(xiàn)近似理想的濾波特性，是常規(guī)濾波器無法比擬的[3]。另外超導(dǎo)濾波器的帶寬可以做的非常窄，帶邊陡峭度高，可以有效濾除離邊帶很近的干擾信號，可以有效解決雷達(dá)的干擾問題。本文主要對超導(dǎo)接收前端的特點(diǎn)、對雷達(dá)的性能影響進(jìn)行分析研究，設(shè)計了一型超導(dǎo)接收前端，并在L波段雷達(dá)系統(tǒng)上應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 超導(dǎo)接收前端組成及特點(diǎn)

1.1 組成

超導(dǎo)接收前端主要由超導(dǎo)濾波器組、低溫低噪聲放大器、微波開關(guān)等低溫微波器件和提供低溫真空環(huán)境的制冷機(jī)與杜瓦等部件構(gòu)成[4]，組成框圖如圖1所示。

圖1 超導(dǎo)接收前端的組成

其中制冷機(jī)采用小型斯特林制冷機(jī)，為超導(dǎo)濾波器組、低噪聲放大器等電子組件提供工作所需的低溫環(huán)境，保證濾波器、放大器等能夠在超導(dǎo)特性下正常工作。由于前置放大器處于低溫的工作環(huán)境，有效降低它的噪聲系數(shù)，提高了接收信號的靈敏度。另外，超導(dǎo)濾波器放置于低噪聲放大器之前，可以有效濾除帶外干擾信號。

1.2 特點(diǎn)

1)極高的頻率選擇性和帶外抑制能力

當(dāng)超導(dǎo)材料溫度降低到轉(zhuǎn)變溫度之下時，其微波表面電阻非常的小，比普通金屬的微波表面電阻低幾個數(shù)量級，幾乎無損耗[5]。相對于常規(guī)濾波器，利用超導(dǎo)薄膜制成的濾波器具有極低的插入損耗、極高的帶外抑制，仿真結(jié)果如圖2所示，對L波段的超導(dǎo)濾波器和常規(guī)濾波器的插入損耗、帶外抑制能力等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測試比較，結(jié)果如圖3所示。

圖2 超導(dǎo)濾波器和常規(guī)濾波器的性能比較

圖3 超導(dǎo)濾波器和常規(guī)濾波器測試數(shù)據(jù)比較

從圖2和圖3中可以看出，超導(dǎo)濾波器的插入損耗小、頻率選擇特性高，具有理想的濾波性能，是常規(guī)濾波器無法相比的。

2)極低的噪聲系數(shù)

電子熱運(yùn)動影響微波器件的噪聲，是一項(xiàng)關(guān)鍵因素，而器件工作的環(huán)境溫度直接影響電子熱運(yùn)與相關(guān)，在低溫條件下，電子的熱運(yùn)動變得緩慢，此時微波器件的噪聲會顯著降低，影響超導(dǎo)濾波器、放大器等微波器件的無損特性。因此，超導(dǎo)接收前端具有較低的噪聲系數(shù)，低至常規(guī)接收前端的1/4-1/9[6]。常規(guī)接收前端的噪聲電平會將雷達(dá)接收的微弱信號淹沒，而超導(dǎo)接收前端具有較低噪聲，可以有效接收微弱信號，兩者的噪聲性能對比如圖4所示。

圖4 噪聲性能對比

3)組件化的設(shè)計

超導(dǎo)接收前端的濾波器、放大器等能夠在超導(dǎo)特性下正常工作，需要制冷機(jī)和真空杜瓦低溫、真空環(huán)境，除需要高可靠性小型制冷機(jī)、微波電子器件以外，還需要進(jìn)行高效的熱設(shè)計、真空密封設(shè)計等，為了在雷達(dá)系統(tǒng)更好得到應(yīng)用，需要對超導(dǎo)接收前端進(jìn)行模塊化、組件化和小型化設(shè)計。

2 超導(dǎo)接收前端對雷達(dá)的性能分析

2.1 低噪聲性能提升探測威力

接收前端是雷達(dá)接收分系統(tǒng)的重要組成部分，接收前端的噪聲系數(shù)直接影響雷達(dá)系統(tǒng)噪聲系數(shù)，雷達(dá)系統(tǒng)總噪聲系數(shù)主要取決于低噪聲放大器和放大器前面的微波電子器件噪聲。根據(jù)雷達(dá)威力方程[7]：

式中，Rmax表示為雷達(dá)最大作用距離，Pt為雷達(dá)的輻射功率，Gt表示為發(fā)射天線增益，Gr表示為接收天線增益，λ表示為工作波長，σ為目標(biāo)的散射截面積，Smin為最小可檢測信號功率，表示為[7]：

英國新馬克思主義學(xué)派的代表人物之一胡格維爾特的《發(fā)展社會學(xué)》一書，在對社會進(jìn)化過程中的不同階段及各階段中社會系統(tǒng)的功能差異進(jìn)行了分析的同時，提出了發(fā)展理論的研究框架，胡格維爾特將結(jié)構(gòu)功能主義下靜態(tài)的單一社會分化和整合的發(fā)展視為作為“過程”的發(fā)展，將人類社會視為相互聯(lián)系和作用的整體更大范圍內(nèi)的發(fā)展視為“互動”的發(fā)展，而將某種文化取向和社會關(guān)系下的主體行動則視為作為“行動”的發(fā)展。結(jié)合胡格維爾特的理論框架筆者認(rèn)為對于現(xiàn)有的關(guān)于社會組織的研究可以劃分為幾個類型。

Smin=kT0ΔFFn(S/N)min

式中，k為波爾茲曼常數(shù)，T0為標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)溫度，ΔF為接收機(jī)的帶寬，F(xiàn)n為接收機(jī)的噪聲系數(shù)，(S/N)min為最小可檢測信噪比。

通過上面分析可知，接收前端噪聲系數(shù)的減小，會使接收機(jī)噪聲系數(shù)得到有效降低，提高系統(tǒng)的接收靈敏度，提升了雷達(dá)的探測距離。

2.2 高頻率選擇性提升雷達(dá)抗干擾性能

由于常規(guī)濾波器的Q值不高，濾波器很難實(shí)現(xiàn)較窄的帶寬，而超導(dǎo)濾波器通過優(yōu)化設(shè)計，具有較高的Q值，可以使濾波器的帶寬做到非常的窄，接近于雷達(dá)工作頻點(diǎn)，可以有效濾除雷達(dá)帶外的干擾信號[8]。雷達(dá)采用常規(guī)接收機(jī)前端時，目標(biāo)回波信號和干擾信號都會送到雷達(dá)后端信號處理，而采用了超導(dǎo)接收前端之后，超導(dǎo)濾波器可以有效地濾除干擾信號，有利于雷達(dá)的信號與數(shù)據(jù)處理。對于廣播電視、無線基站等民用干擾信號，采用超導(dǎo)濾波器則可以有效濾除這些外部干擾信號，同時也會濾除交互調(diào)干擾，有效提升雷達(dá)的抗干擾性能。

3 實(shí)例分析

3.1 樣機(jī)設(shè)計

1)超導(dǎo)濾波器

超導(dǎo)濾波器采用微帶結(jié)構(gòu)諧振器形式，根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)對濾波器中心頻率、帶寬、帶內(nèi)插損和帶外抑制等要求，采用切比雪夫響應(yīng)設(shè)計法進(jìn)行濾波器設(shè)計，確定了濾波器的節(jié)數(shù)、諧振器微帶線的寬度、諧振器的長度、各諧振器之間距離等具體參數(shù)。

通過濾波器的仿真和優(yōu)化設(shè)計，確定濾波器的節(jié)數(shù)為6節(jié)，濾波器電路中線條寬度為0.12mm，諧振器的長度為濾波器中心頻率對應(yīng)波長的一半。選用MgO基片(介電常數(shù)為9.68，厚度為0.51 mm)，設(shè)計的濾波器電路如圖5所示，設(shè)計的濾波器在某頻點(diǎn)的頻率響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖5 設(shè)計的微帶濾波器電路圖

圖6 某頻點(diǎn)的濾波器頻率響應(yīng)曲線

從圖6中可以看出，設(shè)計的超導(dǎo)濾波器具有較好的頻率選擇性和帶外抑制能力，其中濾波器的帶寬為3MHz，在雷達(dá)F0±7MHz時，帶外抑制能力可以達(dá)到80dB。

低溫低噪聲放大器要求具有高增益、低噪聲，由于超導(dǎo)接收前端真空腔和制冷機(jī)負(fù)載工號有限，放大器電路設(shè)計采用兩級放大，其中第一級放大電路工作在液氮低溫環(huán)境下，第二級放大電路工作在常溫工作環(huán)境下，電路設(shè)計選用HEMT器件實(shí)現(xiàn)低噪聲放大，設(shè)計的電路如圖7所示。

3)制冷機(jī)

制冷機(jī)采用小型斯特林制冷機(jī)，具有體積小、功耗低和可靠性高等特點(diǎn)，滿足系統(tǒng)制冷量的需求。

將超導(dǎo)濾波器和低溫低噪聲放大器器件安裝于低溫真空腔內(nèi)，采用斯特林制冷機(jī)制冷，與控制電路模塊、電源等一起進(jìn)行組合化、集成化設(shè)計，設(shè)計的超導(dǎo)接收前端樣機(jī)如圖8所示。

圖7 低溫低噪聲放大器示意圖

圖8 超導(dǎo)接收前端

設(shè)計的樣機(jī)在工作狀態(tài)下，對其主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試，并和雷達(dá)的常規(guī)接收前端的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 超導(dǎo)接收前端與常規(guī)接收前端主要性能對比

從表1可以看出，相比常規(guī)接收前端，雷達(dá)超導(dǎo)接收前端具有較低的噪聲系數(shù)，較好的頻率選擇性和帶外抑制能力。

3.2 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證超導(dǎo)接收前端對雷達(dá)性能的提升，以某型 L波段雷達(dá)為例，在雷達(dá)系統(tǒng)上加裝超導(dǎo)接收前端，與原來雷達(dá)的常規(guī)接收前端并行連接，如圖9所示，通過開關(guān)切換雷達(dá)可工作在常規(guī)和超導(dǎo)兩種狀態(tài)下。

圖9 超導(dǎo)接收前端在雷達(dá)上的加裝方式

該雷達(dá)的接收機(jī)靈敏度為-107dBm，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)約為1.7dB，通過計算可知，當(dāng)雷達(dá)工作頻帶外同時存在兩個大于-54dBm的帶外干擾時，產(chǎn)生的互調(diào)干擾信號會高于目標(biāo)的檢測門限，影響目標(biāo)的探測。

采用帶外干擾模擬試驗(yàn)，在雷達(dá)陣地附近施放兩個大于-54dBm的L頻段帶外干擾。在干擾條件下，雷達(dá)分別采用常規(guī)接收前端和超導(dǎo)接收前端進(jìn)行空中目標(biāo)探測。使用頻譜儀對常規(guī)/超導(dǎo)接收前的和經(jīng)過常規(guī)/超導(dǎo)接收前端的信號頻譜進(jìn)行測量，結(jié)果如圖10所示，在常規(guī)和超導(dǎo)狀態(tài)下雷達(dá)的終端顯示界面如圖11所示。

從圖10中可以看出，常規(guī)/超導(dǎo)接收前端前的兩個帶外干擾信號分別為-46.98dBm和-49.09dBm，帶內(nèi)產(chǎn)生的干擾信號為-84.51dBm；經(jīng)過常規(guī)接收前端后帶外干擾信號分別為-15.29dBm和-18.19dBm，帶內(nèi)產(chǎn)生的干擾信號為-60.84dBm；經(jīng)過超導(dǎo)接收前端后帶外干擾分別為-84.65dBm和-85.28dBm，帶內(nèi)產(chǎn)生的干擾信號為-81.62dBm；相比常規(guī)接收前端，經(jīng)過超導(dǎo)接收前端后干擾信號強(qiáng)度明顯降低，有效濾除雷達(dá)頻帶外的干擾信號。從圖11中可以看出，雷達(dá)采用常規(guī)接收前端，干擾區(qū)域的雷達(dá)目標(biāo)幾乎消失，無法正常探測目標(biāo)；雷達(dá)采用超導(dǎo)接收前端，干擾區(qū)域的雷達(dá)目標(biāo)幾乎都可以正常探測，雷達(dá)探測能力恢復(fù)。因此將超導(dǎo)接收前端應(yīng)用于L波段雷達(dá)中可有效抑制雷達(dá)的帶外干擾，提升雷達(dá)的抗干擾能力。

圖10 干擾信號頻譜

圖11 雷達(dá)顯示界面

4 結(jié)束語

通過對超導(dǎo)接收前端高頻率選擇性、低噪聲系數(shù)等性能特點(diǎn)的介紹，分析其對雷達(dá)系統(tǒng)性能的影響，將超導(dǎo)接收前端應(yīng)用到L波段雷達(dá)系統(tǒng)上，可有效抑制廣播電臺、無線基站等信號的對雷達(dá)的干擾以及雷達(dá)受到的同頻段異步干擾，大大提升雷達(dá)的抗干擾性能，由于雷達(dá)接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)的降低，提高接收信號的靈敏度，提升了雷達(dá)目標(biāo)探測能力。

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