【深度】一种应用于多功能雷达的低成本收发系统设计

原创 2017-09-20 学术plus 学术plus

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今日荐文的作者为中国电子科技集团公司第三十八研究所专家张瑞，花婷婷。本篇节选自论文《基于数字信道化接收机的聚类分选算法》，发表于《一种应用于多功能雷达的低成本收发系统设计》第12卷第2期。

摘要：为应对当前复杂的战场电磁环境，现代雷达系统的多功能化发展趋势越来越明显，其对收发系统提出了发射多模工作、接收宽窄带适应等诸多要求。本文介绍了一种应用于某多功能雷达系统的低成本多模式收发系统设计，通过可重构通道走向的接收链路设计以及对功率GaN器件的应用，实现了系统灵活多变的模式组合，满足了系统应用要求。对后续开展多功能雷达收发系统设计具有借鉴意义。

关键词: 多功能系统；低成本；GaN；射频复用网络

1 引言

现代雷达系统中，为了应对战场各种复杂电磁环境，缩短大系统对威胁的响应时间，打破电子对抗和有源探测功能各自独立的现状，多功能综合系统把电子战与有源探测有机地结合起来，形成集侦察、干扰、探测于一体的新型电子系统装备，实现资源共享和信息融合，电子战与有源探测功能优势互补，可满足快速发现、立即干扰的战术要求，提高系统整体作战效能。

本文从系统设计和具体实现两个方面，介绍了一种适用于多功能雷达的低成本收发系统设计，该设计在实现既定有源探测能力的同时，通过对发射支路线性化设计实现了对干扰、通讯能力的兼顾，针对接收支路进行多通道分组切换和拼接设计，实现了灵活的频段扫描、监测和信号带宽拼接功能。该系统的实现对多功能综合系统中灵活的通道构架设计进行了有益的探索。

2 系统组成和原理

该收发系统的组成原理如图1所示，系统利用低频和高频两个阵面实现宽带有源探测、干扰和侦查功能，其中有源探测和干扰主要在低频天线上实现；宽带侦查功能结合了高、低频两个阵面，通过可灵活组合的射频信号交换网络设计，有效的减少接收通道和宽带ADC模块至原规模的一半，在控制成本的同时，很好的实现了频段选择与组合、带宽选择与组合、工作模式的选择与组合功能。

图1系统组成框图

3 系统设计与实现

3.1宽带线性发射通道的设计

宽带发射通道主要包括波形产生、上变频通道和线性功率放大模块三部分组成。波形产生模块利用DAC在中频实现瞬时带宽不低于400MHz的可编程波形信号或宽带干扰信号；上变频通道采用两次变频方式将上述中频信号搬移至系统的微波频率上；线性放大模块采用GaN第三代半导体技术，通过对模块工作电压、通道衰减的调节，实现高功率探测模式（50dBm）和中功率线性放大模式(45dBm)的切换工作。整个发射链路的原理和增益框图如图2所示：

图2发射链路原理及增益分配框图

对于发射链路来说，宽带波形产生和上变频通道设计均属于常规设计，其中宽带波形产生采用FPGA母板加双通道FCI标准DAC子板方式实现，宽带上变频电路采用单片微波集成电路（MMIC）配合MEMS滤波器实现通道的小型化和集成化设计。

因多功能系统中存在多种模式的发射干扰需求，其中对发射要求最高的是针对数据链的宽带梳妆谱干扰信号的低失真发射应用，系统设计需综合干扰性能和效费比进行综合分析。

对频域等间隔梳妆谱而言，其在时域上表现为起伏变化的包络，随着瞬时带宽内梳妆谱频率的增多，峰均比（Peak to Average Ratio）将迅速增大，低失真需求将导致发射功率回退的迅速增长，系统设计难度、成本成倍增加，为此本系统采用优化初始相位方法对梳妆谱进行优化：设输入梳妆谱信号为

系统可以通过在每一个分量前增加一个模为1的复系数Cn来降低峰均比，上述公式表达为：

公式（2）中Cn的取值满足以下条件：

公式（3）中的p和N无公约数，且小于N的最大整数。在本系统中，p的取值为1。

基于上述方法，同时考虑现有功放能力（输出P-1dB受限）、干扰功率（功率回退程度受限）要求，系统针对400MHz带宽梳状谱应用模式进行了仿真分析，其结果如图3所示。从仿真分析结果可以看出，在兼顾系统成本考虑下，采用20点梳妆谱模式工作模式即能实现干扰目标，又能通过初始相位优化的方式将峰均比（PAR）从原来的18dB优化到5dB以内，依据通信应用中的经验，系统功率回退只需5dB左右即可。而采用80点梳妆谱工作模式即使优化，也会导致信号严重失真，也无法满足梳妆谱各频点对干扰功率的要求。

（a）80点仿真结果

（b） 20点仿真结果

图3不同工作模式下发射频谱仿真

发射线性放大模块设计为4通道集成设计方案，在饱和输出情况下效率优于48%，在梳妆谱应用模式下，功率回退5dB后效率仍然高于28%。集成放大器采用盒体大面积衬铜强迫风冷却散热设计实现。其热仿真设计结果如图4所示。

图4发射组件热分布云图仿真结果

该热仿真结果表明，在最恶劣工况下，系统采用大面积衬铜强迫风冷却方案能够保证功率管壳温不超过81℃，按照器件结壳热阻0.31℃/W，109W热耗计算，管芯温度低于115℃，满足II级降额要求。

3.2接收通道的设计

从图1的原理组成框图可以看出，接收通道主要将低频天线和高频天线回波信号进行放大后，通过设计射频信号交换网络，对接收通道进行灵活组合配置，实现工作模式和瞬时带宽的拼接。

在400MHz系统带宽下，接收通道的灵敏度可按下式计算：

由（4）可知，系统灵敏度为-83.5dBm，在ADC饱和电平为0dBm的情况下，为实现宽带不低于40dB的瞬时动态要求，接收通道总增益应为43dB左右。因本系统中的切换网络插损约18dB，由噪声系数计算公式：

可知，为控制噪声系数，切换网络必须位于45dB放大之后，因此系统增益分配如图5所示：

图5接收链路信号电平和增益分配框图

要实现接收通道的灵活组合与复用，需要合理设计射频切换网络。射频切换网络需要实现对输入信号的灵活切换和选择，即可实现A、Ｂ路信号的自由组合，又需要实现Ａ信号或Ｂ信号的内部自由切换和复用，是实现系统多模和低成本的关键。该网络的基本单元实现原理图如下图所示：

图6射频切换网络基础单元原理及主要工作模式

利用该切换网络对信号的选通模式组合，结合两组独立频综设计，可以在系统上实现对双天线回波信号的灵活处理和控制。在射频交换矩阵的灵活配置下，接收系统可实现多种工作模式配置。

3.3 频综子系统设计

频率合成器的合成方式主要有直接频率合成、间接频率合成（PLL）、直接数字合成（DDS）三种。对本系统而言，如果采用直接频率合成方式来产生本振信号，将不能满足系统对体积和重量的要求。综合考虑当前工作频段对雷达和电侦信号相噪的要求，系统对有跳频时间要求的部分采用直接合成设计，其余本振及时钟信号采用锁相合成方式混合实现频综设计。

本系统中，频率源需要提供三组可切换的跳频本振信号组合，用于实现发射上变频本振、双阵面组合接收下变频本振的灵活切换。因系统设计过程中对于上、下变频通道选择了相同的频率变换窗口，故而其中两组跳频本振信号始终处于相同的工作频点，频综子系统的三组跳频本振可以简化为如下模式：

图7 频综简化后的原理框图

4．实物和测试结果

基于多功能系统本身对宽带工作模式的需求，上下变频通道通过采用多功能MMIC芯片结合MEMS滤波器进行小型化和集成化设计，实现了7.5个倍频程的宽带变频通道，实物及部分系数测试结果如图8、图9所示。

图8 多通道宽带上下变频组件

图9 接收中频带内起伏

收发系统采用了与天线共结构设计方案，整个收发机柜背负在天线背面，有利于系统的高机动应用。

对设计完成的系统进行了指标测试，满足系统指标要求。主要测试结果如下：

1）发射带宽：1.5倍频程

2）雷达模式单通道发射功率：≥50dBm

3）干扰模式单通道发射功率：≥45dBm

4）干扰模式双音交调：≥25dBc

5）接收带宽：7.5倍频程

6）接收噪声系数：≤5dB

7）跳频时间：≤2us

8）宽带系统动态：≥40dB

9）窄带系统动态：≥58dB（滤波抽取）

10）中频带内起伏：≤±1.5dB

5 总结

本文设计实现了一种可应用于多功能雷达的低成本宽带射频系统，通过对宽带变频技术、GaN技术、射频网络组合交换、宽带采样等技术的合理应用，构建了一种可进行模式切换和通道组合的新型收发系统，并分析了在梳妆谱发射干扰模式下的系统优化设计。通过对宽带通道的复用和组合，较好的控制了系统成本，满足了系统对多功能、多模式的应用要求，对后续设计多功能探测、干扰、侦察一体化收发系统进行了探讨和摸索，具有借鉴意义。

（参考文献略）

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