「深度」一種應用于多功能雷達的低成本收發系統設計
今日薦文
今日薦文的作者為中國電子科技集團公司第三十八研究所專家張瑞，
摘 要：為應對當前複雜的戰場電磁環境，現代雷達系統的多功能化發展趨勢越來越明顯，其對收發系統提出了發射多模工作、接收寬窄帶適應等諸多要求。本文介紹了一種應用于某多功能雷達系統的低成本多模式收發系統設計，
1 引 言
現代雷達系統中，為了應對戰場各種複雜電磁環境，縮短大系統對威脅的回應時間，打破電子對抗和有源探測功能各自獨立的現狀，多功能綜合系統把電子戰與有源探測有機地結合起來，
本文從系統設計和具體實現兩個方面，介紹了一種適用于多功能雷達的低成本收發系統設計，該設計在實現既定有源探測能力的同時，通過對發射支路線性化設計實現了對干擾、通訊能力的兼顧，
2 系統組成和原理
該收發系統的組成原理如圖1所示，系統利用低頻和高頻兩個陣面實現寬頻有源探測、干擾和偵查功能，其中有源探測和干擾主要在低頻天線上實現；寬頻偵查功能結合了高、低頻兩個陣面，
圖1系統組成框圖
3 系統設計與實現
3.1寬頻線性發射通道的設計
寬頻發射通道主要包括波形產生、上變頻通道和線性功率放大模組三部分組成。波形產生模組利用DAC在中頻實現暫態頻寬不低於400MHz的可程式設計波形信號或寬頻干擾信號；上變頻通道採用兩次變頻方式將上述中頻信號搬移至系統的微波頻率上；線性放大模組採用GaN第三代半導體技術，通過對模組工作電壓、通道衰減的調節，實現高功率探測模式（50dBm）和中功率線性放大模式(45dBm)的切換工作。整個發射鏈路的原理和增益框圖如圖2所示：
圖2發射鏈路原理及增益分配框圖
對於發射鏈路來說，寬頻波形產生和上變頻通道設計均屬於常規設計，其中寬頻波形產生採用FPGA主機板加雙通道FCI標準DAC子板方式實現，寬頻上變頻電路採用單片微波積體電路（MMIC）配合MEMS濾波器實現通道的小型化和集成化設計。
因多功能系統中存在多種模式的發射干擾需求，其中對發射要求最高的是針對資料鏈的寬頻梳妝譜干擾信號的低失真發射應用，系統設計需綜合干擾性能和效費比進行綜合分析。
對頻域等間隔梳妝譜而言，其在時域上表現為起伏變化的包絡，隨著暫態頻寬內梳妝譜頻率的增多，峰均比（Peak to Average Ratio）將迅速增大，低失真需求將導致發射功率回退的迅速增長，系統設計難度、成本成倍增加，為此本系統採用優化初始相位方法對梳妝譜進行優化：設輸入梳妝譜信號為
系統可以通過在每一個分量前增加一個模為1的複係數Cn來降低峰均比，上述公式表達為：
公式（2）中Cn的取值滿足以下條件：
公式（3）中的p和N無公約數，且小於N的最大整數。在本系統中，p的取值為1。
基於上述方法，同時考慮現有功放能力（輸出P-1dB受限）、干擾功率（功率回退程度受限）要求，系統針對400MHz頻寬梳狀譜應用模式進行了模擬分析，其結果如圖3所示。從模擬分析結果可以看出，在兼顧系統成本考慮下，採用20點梳妝譜模式工作模式即能實現干擾目標，又能通過初始相位優化的方式將峰均比（PAR）從原來的18dB優化到5dB以內，依據通信應用中的經驗，系統功率回退只需5dB左右即可。而採用80點梳妝譜工作模式即使優化，也會導致信號嚴重失真，也無法滿足梳妝譜各頻點對干擾功率的要求。
（a）80點模擬結果
（b） 20點模擬結果
圖3不同工作模式下發射頻譜模擬
發射線性放大模組設計為4通道集成設計方案，在飽和輸出情況下效率優於48%，在梳妝譜應用模式下，功率回退5dB後效率仍然高於28%。集成放大器採用盒體大面積襯銅強迫風冷卻散熱設計實現。其熱模擬設計結果如圖4所示。
圖4發射組件熱分佈雲圖模擬結果
該熱模擬結果表明，在最惡劣工況下，系統採用大面積襯銅強迫風冷卻方案能夠保證功率管殼溫不超過81℃，按照器件結殼熱阻0.31℃/W，109W熱耗計算，管芯溫度低於115℃，滿足II級降額要求。
3.2接收通道的設計
從圖1的原理組成框圖可以看出，接收通道主要將低頻天線和高頻天線回波信號進行放大後，通過設計射頻信號切換式網路，對接收通道進行靈活組合配置，實現工作模式和暫態頻寬的拼接。
在400MHz系統頻寬下，接收通道的靈敏度可按下式計算：
由（4）可知，系統靈敏度為-83.5dBm，在ADC飽和電平為0dBm的情況下，為實現寬頻不低於40dB的暫態動態要求，接收通道總增益應為43dB左右。因本系統中的切換網路插損約18dB，由雜訊係數計算公式：
可知，為控制雜訊係數，切換網路必須位於45dB放大之後，因此系統增益分配如圖5所示：
圖5接收鏈路信號電平和增益分配框圖
要實現接收通道的靈活組合與複用，需要合理設計射頻切換網路。射頻切換網路需要實現對輸入信號的靈活切換和選擇，即可實現A、Ｂ路信號的自由組合，又需要實現Ａ信號或Ｂ信號的內部自由切換和複用，是實現系統多模和低成本的關鍵。該網路的基本單元實現原理圖如下圖所示：
圖6射頻切換網路基礎單元原理及主要工作模式
利用該切換網路對信號的選通模式組合，結合兩組獨立頻綜設計，可以在系統上實現對雙天線回波信號的靈活處理和控制。在射頻交換矩陣的靈活配置下，接收系統可實現多種工作模式配置。
3.3頻綜子系統設計
頻率合成器的合成方式主要有直接頻率合成、間接頻率合成（PLL）、直接數位合成（DDS）三種。對本系統而言，如果採用直接頻率合成方式來產生本振信號，將不能滿足系統對體積和重量的要求。綜合考慮當前工作頻段對雷達和電偵信號相噪的要求，系統對有跳頻時間要求的部分採用直接合成設計，其餘本振及時鐘信號採用鎖相合成方式混合實現頻綜設計。
本系統中，頻率源需要提供三組可切換的跳頻本振信號組合，用於實現發射上變頻本振、雙陣面組合接收下變頻本振的靈活切換。因系統設計過程中對於上、下變頻通道選擇了相同的頻率變換視窗，故而其中兩組跳頻本振信號始終處於相同的工作頻點，頻綜子系統的三組跳頻本振可以簡化為如下模式：
圖7 頻綜簡化後的原理框圖
4．實物和測試結果
基於多功能系統本身對寬頻工作模式的需求，上下變頻通道通過採用多功能MMIC晶片結合MEMS濾波器進行小型化和集成化設計，實現了7.5個倍頻程的寬頻變頻通道，實物及部分係數測試結果如圖8、圖9所示。
圖8 多通道寬頻上下變頻元件
圖9 接收中頻帶內起伏
收發系統採用了與天線共結構設計方案，整個收發機櫃背負在天線背面，有利於系統的高機動應用。
對設計完成的系統進行了指標測試，滿足系統指標要求。主要測試結果如下：
1） 發射頻寬：1.5倍頻程
2） 雷達模式單通道發射功率：≥50dBm
3） 干擾模式單通道發射功率：≥45dBm
4） 干擾模式雙音交調：≥25dBc
5） 接收頻寬：7.5倍頻程
6） 接收雜訊係數：≤5dB
7） 跳頻時間：≤2us
8） 寬頻系統動態：≥40dB
9） 窄帶系統動態：≥58dB（濾波抽取）
10） 中頻帶內起伏：≤±1.5dB
5 總結
本文設計實現了一種可應用于多功能雷達的低成本寬頻射頻系統，通過對寬頻變頻技術、GaN技術、射頻網路組合交換、寬頻採樣等技術的合理應用，構建了一種可進行模式切換和通道組合的新型收發系統，並分析了在梳妝譜發射干擾模式下的系統優化設計。通過對寬頻通道的複用和組合，較好的控制了系統成本，滿足了系統對多功能、多模式的應用要求，對後續設計多功能探測、干擾、偵察一體化收發系統進行了探討和摸索，具有借鑒意義。
（參考文獻略）
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實現高功率探測模式（50dBm）和中功率線性放大模式(45dBm)的切換工作。整個發射鏈路的原理和增益框圖如圖2所示：圖2發射鏈路原理及增益分配框圖
對於發射鏈路來說，寬頻波形產生和上變頻通道設計均屬於常規設計，其中寬頻波形產生採用FPGA主機板加雙通道FCI標準DAC子板方式實現，寬頻上變頻電路採用單片微波積體電路（MMIC）配合MEMS濾波器實現通道的小型化和集成化設計。
因多功能系統中存在多種模式的發射干擾需求，其中對發射要求最高的是針對資料鏈的寬頻梳妝譜干擾信號的低失真發射應用，系統設計需綜合干擾性能和效費比進行綜合分析。
對頻域等間隔梳妝譜而言，其在時域上表現為起伏變化的包絡，隨著暫態頻寬內梳妝譜頻率的增多，峰均比（Peak to Average Ratio）將迅速增大，低失真需求將導致發射功率回退的迅速增長，系統設計難度、成本成倍增加，為此本系統採用優化初始相位方法對梳妝譜進行優化：設輸入梳妝譜信號為
系統可以通過在每一個分量前增加一個模為1的複係數Cn來降低峰均比，上述公式表達為：
公式（2）中Cn的取值滿足以下條件：
公式（3）中的p和N無公約數，且小於N的最大整數。在本系統中，p的取值為1。
基於上述方法，同時考慮現有功放能力（輸出P-1dB受限）、干擾功率（功率回退程度受限）要求，系統針對400MHz頻寬梳狀譜應用模式進行了模擬分析，其結果如圖3所示。從模擬分析結果可以看出，在兼顧系統成本考慮下，採用20點梳妝譜模式工作模式即能實現干擾目標，又能通過初始相位優化的方式將峰均比（PAR）從原來的18dB優化到5dB以內，依據通信應用中的經驗，系統功率回退只需5dB左右即可。而採用80點梳妝譜工作模式即使優化，也會導致信號嚴重失真，也無法滿足梳妝譜各頻點對干擾功率的要求。
（a）80點模擬結果
（b） 20點模擬結果
圖3不同工作模式下發射頻譜模擬
發射線性放大模組設計為4通道集成設計方案，在飽和輸出情況下效率優於48%，在梳妝譜應用模式下，功率回退5dB後效率仍然高於28%。集成放大器採用盒體大面積襯銅強迫風冷卻散熱設計實現。其熱模擬設計結果如圖4所示。
圖4發射組件熱分佈雲圖模擬結果
該熱模擬結果表明，在最惡劣工況下，系統採用大面積襯銅強迫風冷卻方案能夠保證功率管殼溫不超過81℃，按照器件結殼熱阻0.31℃/W，109W熱耗計算，管芯溫度低於115℃，滿足II級降額要求。
3.2接收通道的設計
從圖1的原理組成框圖可以看出，接收通道主要將低頻天線和高頻天線回波信號進行放大後，通過設計射頻信號切換式網路，對接收通道進行靈活組合配置，實現工作模式和暫態頻寬的拼接。
在400MHz系統頻寬下，接收通道的靈敏度可按下式計算：
由（4）可知，系統靈敏度為-83.5dBm，在ADC飽和電平為0dBm的情況下，為實現寬頻不低於40dB的暫態動態要求，接收通道總增益應為43dB左右。因本系統中的切換網路插損約18dB，由雜訊係數計算公式：
可知，為控制雜訊係數，切換網路必須位於45dB放大之後，因此系統增益分配如圖5所示：
圖5接收鏈路信號電平和增益分配框圖
要實現接收通道的靈活組合與複用，需要合理設計射頻切換網路。射頻切換網路需要實現對輸入信號的靈活切換和選擇，即可實現A、Ｂ路信號的自由組合，又需要實現Ａ信號或Ｂ信號的內部自由切換和複用，是實現系統多模和低成本的關鍵。該網路的基本單元實現原理圖如下圖所示：
圖6射頻切換網路基礎單元原理及主要工作模式
利用該切換網路對信號的選通模式組合，結合兩組獨立頻綜設計，可以在系統上實現對雙天線回波信號的靈活處理和控制。在射頻交換矩陣的靈活配置下，接收系統可實現多種工作模式配置。
3.3頻綜子系統設計
頻率合成器的合成方式主要有直接頻率合成、間接頻率合成（PLL）、直接數位合成（DDS）三種。對本系統而言，如果採用直接頻率合成方式來產生本振信號，將不能滿足系統對體積和重量的要求。綜合考慮當前工作頻段對雷達和電偵信號相噪的要求，系統對有跳頻時間要求的部分採用直接合成設計，其餘本振及時鐘信號採用鎖相合成方式混合實現頻綜設計。
本系統中，頻率源需要提供三組可切換的跳頻本振信號組合，用於實現發射上變頻本振、雙陣面組合接收下變頻本振的靈活切換。因系統設計過程中對於上、下變頻通道選擇了相同的頻率變換視窗，故而其中兩組跳頻本振信號始終處於相同的工作頻點，頻綜子系統的三組跳頻本振可以簡化為如下模式：
圖7 頻綜簡化後的原理框圖
4．實物和測試結果
基於多功能系統本身對寬頻工作模式的需求，上下變頻通道通過採用多功能MMIC晶片結合MEMS濾波器進行小型化和集成化設計，實現了7.5個倍頻程的寬頻變頻通道，實物及部分係數測試結果如圖8、圖9所示。
圖8 多通道寬頻上下變頻元件
圖9 接收中頻帶內起伏
收發系統採用了與天線共結構設計方案，整個收發機櫃背負在天線背面，有利於系統的高機動應用。
對設計完成的系統進行了指標測試，滿足系統指標要求。主要測試結果如下：
1） 發射頻寬：1.5倍頻程
2） 雷達模式單通道發射功率：≥50dBm
3） 干擾模式單通道發射功率：≥45dBm
4） 干擾模式雙音交調：≥25dBc
5） 接收頻寬：7.5倍頻程
6） 接收雜訊係數：≤5dB
7） 跳頻時間：≤2us
8） 寬頻系統動態：≥40dB
9） 窄帶系統動態：≥58dB（濾波抽取）
10） 中頻帶內起伏：≤±1.5dB
5 總結
本文設計實現了一種可應用于多功能雷達的低成本寬頻射頻系統，通過對寬頻變頻技術、GaN技術、射頻網路組合交換、寬頻採樣等技術的合理應用，構建了一種可進行模式切換和通道組合的新型收發系統，並分析了在梳妝譜發射干擾模式下的系統優化設計。通過對寬頻通道的複用和組合，較好的控制了系統成本，滿足了系統對多功能、多模式的應用要求，對後續設計多功能探測、干擾、偵察一體化收發系統進行了探討和摸索，具有借鑒意義。
（參考文獻略）
《 召 集 令 》
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1，有學術水準：一定的專業學術水準是必須的！
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