寬帶高功率諧波雷達(dá)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李彥旭，王 衍

（江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

諧波雷達(dá)通過(guò)發(fā)射基波信號(hào)，接收來(lái)自非線性目標(biāo)的二次或者三次諧波信號(hào)來(lái)識(shí)別和搜索目標(biāo)，可用于遠(yuǎn)程溫度感應(yīng)，追蹤昆蟲和小型兩棲動(dòng)物，用作檢測(cè)或者監(jiān)視設(shè)備以及人體生命體征的監(jiān)測(cè)，非線性雷達(dá)因其非接觸、應(yīng)用范圍廣、便于檢測(cè)而具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景[1-2]。

非線性雷達(dá)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)最早可追溯到上世紀(jì)80年代，但是早期的微波器件體積較大，成本價(jià)格昂貴，難以推廣到更多的應(yīng)用領(lǐng)域。近年來(lái)隨著醫(yī)學(xué)、電子、芯片集成技術(shù)的發(fā)展，許多研究組織也越來(lái)越關(guān)注雷達(dá)生命探測(cè)技術(shù)[3]的發(fā)展。傳統(tǒng)的諧波雷達(dá)多采用單頻連續(xù)波信號(hào)或者輸出功率較低，帶寬較窄的調(diào)頻連續(xù)波。本文將介紹一種用于探測(cè)生命體信息的寬帶高功率諧波雷達(dá)發(fā)射機(jī)前端，具有輸出功率高、發(fā)射帶寬大、可靠性高、編程可控制頻率等優(yōu)點(diǎn)[4]。

1 指標(biāo)分析

考慮到諧波雷達(dá)發(fā)射機(jī)的便攜性，所以對(duì)發(fā)射機(jī)體積、成本和能耗提出了要求，為了提升整個(gè)系統(tǒng)對(duì)生命體征的探測(cè)距離分辨率和抗電磁干擾能力，采用一個(gè)可變頻發(fā)射諧波雷達(dá)的探測(cè)系統(tǒng)，所以要求發(fā)射機(jī)具有高輸出功率和200 MHz 的帶寬內(nèi)可變頻發(fā)射。對(duì)發(fā)射機(jī)提出的具體指標(biāo)如下：中心頻率為2.8 GHz，帶寬為200 MHz 的調(diào)頻連續(xù)波，發(fā)射輸出峰值功率為10 W，相位噪聲優(yōu)于100 dBm/Hz@10 kHz。本文針對(duì)以上指標(biāo)，提出了一種S 波段寬帶高功率的諧波雷達(dá)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)功放、天線關(guān)鍵器件進(jìn)行了仿真與測(cè)試，驗(yàn)證了方案的可行性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)鏈路框圖如圖1 所示，諧波雷達(dá)發(fā)射機(jī)主要由直接數(shù)字頻率合成(DDS)[5]模塊、鎖相環(huán)(PLL)模塊、混頻器(Mixer)模塊、帶通濾波器(BPF)模塊、驅(qū)動(dòng)放大器(PA1)模塊、末級(jí)功率放大器(PA2)模塊、功率分配器及發(fā)射天線(Tx)構(gòu)成。DDS 產(chǎn)生的信號(hào)與PLL 產(chǎn)生的本振上混頻后，經(jīng)過(guò)帶通濾波器對(duì)信號(hào)的選擇作用，濾除諧波及雜散，得到所需信號(hào)通過(guò)功分器后一路用作接收機(jī)的本振，一路通向兩級(jí)放大器的放大后到發(fā)射天線。

圖1 發(fā)射機(jī)鏈路框圖

結(jié)合指標(biāo)要求，本文的PLL 和DDS 采用ADI 公司的ADF4350BCPZ 和AD9910BSVZ 芯片，PLL 的射頻帶寬范圍為137.5～4 400 MHz 之間，通過(guò)STM32F103RBT6 控制PLL 模塊輸出2 600 MHz 的本振頻率，同時(shí)控制DDS產(chǎn)生噪聲抑制優(yōu)于110 dBm/Hz@10 kHz 的100～300 MHz的調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)進(jìn)行混頻，從而產(chǎn)生中心頻率為2.8 GHz，帶寬為200 MHz 的調(diào)頻連續(xù)波。

混頻器選擇ADI 公司的ADL5801ACPZ，其本振和射頻端口的頻率范圍為0.01～6 GHz，中頻端口頻率范圍在DC-0.6 GHz，本振端口和射頻端口間隔離度高達(dá)46.7 dB。由于混頻器的非線性作用，在混頻時(shí)產(chǎn)生的多次諧波分量需要濾除，設(shè)計(jì)了一款滿足系統(tǒng)指標(biāo)需求的發(fā)卡帶通濾波器。驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器選擇Qorvo 公司的SBB5089+SZA2044，其射頻帶寬范圍為1～3 GHz，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率為30 dBm,增益為40 dB。

為保證末級(jí)功率放大器發(fā)射基波信號(hào)無(wú)其他二三次諧波信號(hào)的干擾，同時(shí)具有更高的效率和輸出功率，故設(shè)計(jì)了一種F 類功率放大器作為末級(jí)輸出。雷達(dá)的發(fā)射天線則采用很強(qiáng)的方向性的八木天線，針對(duì)傳統(tǒng)八木天線帶寬窄、尺寸大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種寬帶高增益的微帶八木天線。

2.1 F 類功率放大器的設(shè)計(jì)

圖2 所示是F 類功率放大器的整體原理圖，工作頻段為2.7～2.9 GHz（取2.8 GHz 為中心頻率），漏極偏置電壓為28 V，柵極偏置電壓為-2.8 V。功率管采用Cree 公司的CGH40010F GaN HEMT，介質(zhì)基板采用相對(duì)介電常數(shù)為3.48，厚度為0.508 mm 的羅杰斯4350B。輸入和輸出匹配電路采用傳輸線和開(kāi)路枝節(jié)組成的L 型匹配結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)低插入損耗，串聯(lián)R-C 穩(wěn)定電路防止低頻振蕩。諧波控制網(wǎng)絡(luò)中使用長(zhǎng)度為λ3/4 開(kāi)路微帶線TL1 實(shí)現(xiàn)B 點(diǎn)從開(kāi)路轉(zhuǎn)換到短路，同時(shí)使用長(zhǎng)度為λ3/4的TL2 實(shí)現(xiàn)在晶體管漏極的三次諧波開(kāi)路。A 和B 之間加入TL3 使得TL2 與TL3 總長(zhǎng)度達(dá)到λ2/4 能實(shí)現(xiàn)二次諧波短路[6-7]，且晶體管的漏極偏置電壓加在A 點(diǎn)上方的λ2/4 微帶線TL4 上，這樣A 點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)基波和三次諧波開(kāi)路。偏置線上并聯(lián)兩個(gè)扇形微帶線Stub2 和Stub3 來(lái)代替對(duì)地電容，這不僅使得方便設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊而且也起到了短路基波和二次諧波的作用[8-9]。

圖2 F 類功放原理圖

F 類功放在CGH40010F 的輸出端和負(fù)載之間加入諧波控制網(wǎng)絡(luò)，是為了將基波的偶次諧波調(diào)諧到零阻抗?fàn)顟B(tài)，而將奇次諧波調(diào)諧到無(wú)窮大阻抗?fàn)顟B(tài)，這才能使得漏極端的電流和電壓時(shí)域上很接近半正弦波和方波[10]，如圖3 所示，漏極電壓和電流波形之間幾乎沒(méi)有重疊，代表晶體管內(nèi)部直流功耗小，因此大大提升了效率。

圖3 漏極電壓和電流仿真時(shí)域波形

2.2 天線設(shè)計(jì)

本文提出的微帶八木天線正反面CAD 結(jié)構(gòu)如圖4(a)、(b)所示，介質(zhì)基板采用羅杰斯4350B（介電常數(shù)3.48，損耗角正切0.003 7，厚度為0.508 mm），相對(duì)于傳統(tǒng)的八木天線而言，更易于同其他電路進(jìn)行集成。為了增加天線的增益而不影響帶寬，該天線正反面都采用四個(gè)微帶線作為引向器，正反面的激勵(lì)陣子充當(dāng)輻射器，而位于介質(zhì)板底面的地板作為反射器。該天線使用該天線使用一種比較簡(jiǎn)單的饋電方式，正面的激勵(lì)陣子直接與饋電微電線相連；反面的激勵(lì)陣子與充當(dāng)反射器的地板相連。激勵(lì)陣子部分采用了“半領(lǐng)結(jié)”型[11-13]漸變的結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)了輻射單元的電流路徑，從而達(dá)到拓展平面八木天線阻抗帶寬的效果；同時(shí)天線激勵(lì)陣子附近增加了矩形寄生貼片[14-15]，實(shí)際上將RLC 諧振電路改為多諧振點(diǎn)的電路，回波損耗呈現(xiàn)雙諧振特性，進(jìn)而拓展了天線的阻抗帶寬。

圖4 改進(jìn)后的八木天線

根據(jù)八木天線的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)公式得出初始尺寸，經(jīng)過(guò)電磁仿真軟件Ansoft HFSS 的參數(shù)優(yōu)化后具體尺寸如下：W=60 mm，L=90 mm，L1=32 mm,Lr=18 mm，Lt=15.06 mm，Wt=16 mm，Wr1=14.575 mm，Wr2=18 mm，S1=2 mm，S2=1.13 mm，W1=1.12 mm，d1=5.6 mm，d2=10.6 mm，d3=11.6 mm。

天線的增益是衡量天線性能的一個(gè)重要指標(biāo)，仿真得到的微帶八木天線的三維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射增益方向圖如圖4(c)所示，在2.8 GHz 處最大輻射方向上增益達(dá)到7.4 dBi。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 天線模塊

從圖5 中可以看出，改進(jìn)后的八木天線實(shí)測(cè)結(jié)果表明回波損耗在2.8 GHz 時(shí)的值為-29.3 dB，阻抗匹配特性良好，S11 在-10 dB 以下的頻段為2.6～2.98 GHz，與HFSS 仿真的結(jié)果基本吻合，對(duì)應(yīng)的相對(duì)帶寬達(dá)到了13.6%，對(duì)比改進(jìn)前增加了6.46%，能夠滿足發(fā)射機(jī)系統(tǒng)工作頻段的覆蓋要求。

圖5 改進(jìn)前后回波損耗的變化

3.2 F 類功率放大器模塊

圖6 所示為F 類功放的峰值功率附加效率(Power Added Efficiency，PAE)、輸出功率Pout和增益G隨輸入功率變化的仿真與測(cè)試結(jié)果。可以看到:在2.8 GHz 工作頻率下，F(xiàn) 類功放的峰值PAE 為69.3%，飽和輸出功率為39.8 dBm，增益為11.8 dB。

圖6 輸入功率，PAE 和增益隨輸入功率的變化

對(duì)F 類功率放大器進(jìn)行測(cè)試，得出各頻率點(diǎn)的輸出功率和增益，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算各頻點(diǎn)的PAE，得出輸入功率，PAE 和增益隨頻率變化的仿真與測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。其中每個(gè)頻點(diǎn)的輸入功率恒定為28 dBm，可以看到:F 類功放在2.7 GHz 到2.9 GHz 的帶寬內(nèi)PAE 保持在55%～69.3%，輸出功率約為38～40 dBm，功放的增益在整個(gè)頻帶內(nèi)介于9.5～12 dB 之間，PAE 的峰值出現(xiàn)在2.8 GHz，說(shuō)明功放晶體管的匹配電路在中心頻率點(diǎn)處匹配良好，插損小，且諧波控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)二次諧波及三次諧波分量有了較好的抑制，實(shí)測(cè)輸出功率在39.8 dBm。上述測(cè)試基本滿足F 類功率放大器在工作頻段內(nèi)峰值輸出功率10 W 的要求。

圖7 輸入功率，PAE 和增益隨頻率的變化

3.3 發(fā)射機(jī)整體模塊

發(fā)射機(jī)模塊實(shí)物圖如圖8 所示.DDS 的掃頻時(shí)寬為1.5 ms，步進(jìn)頻率為10 kHz，產(chǎn)生的寬帶線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻，放大輸出的發(fā)射信號(hào)連接30 dB 的衰減器后到頻譜儀進(jìn)行測(cè)試。為了測(cè)試在該信號(hào)源下，產(chǎn)生的中心頻率為2 800 MHz 且?guī)挒?00 MHz 的調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，輸出頻譜如圖9 所示。從圖中可以看出在要求的頻帶內(nèi)鏈路的輸出功率接近40 dBm，平坦度在3 dB 以內(nèi)，符合本文設(shè)計(jì)的要求。

圖8 發(fā)射機(jī)模塊

圖9 發(fā)射信號(hào)測(cè)試

4 結(jié)論

為了提高探測(cè)距離和滿足可變頻發(fā)射諧波雷達(dá)的探測(cè)需求，本文提出了一種寬帶高功率諧波雷達(dá)的發(fā)射前端方案，對(duì)系統(tǒng)的部分指標(biāo)進(jìn)行了仿真實(shí)測(cè)、分析，測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的S 波段寬帶高功率的諧波雷達(dá)發(fā)射機(jī)可產(chǎn)生中心頻率為2.8 GHz、帶寬為200 MHz 的線性調(diào)頻信號(hào)，其輸出峰值功率可達(dá)10 W，均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。