運動目標雷達回波信號模擬＊

吳建剛 黃 敏 汪寅安

（1.海軍駐武漢三江航天集團軍代室 武漢 430040）（2.中國航天科工四院紅峰公司 孝感 432000）

1 引言

多普勒雷達根據運動目標的回波信號獲取目標信息，為了對多普勒雷達系統性能方便進行測試，需要模擬運動目標的回波信號。

與發射信號（fc）相比，回波信號根據目標雷達截面積和距離變化，還會因為彈目相對運動產生多普勒頻移（fd）。

其中多普勒頻率為

式中：VR為彈目接近速度；λ為工作波長。

要實現運動目標回波信號模擬，多普勒信號的加載是其關鍵技術之一。

2 多普勒信號加載原理

多普勒信號的加載，其實質是頻譜的搬移?；祛l器是常用的頻譜搬移器件，其輸入輸出頻率特性可以表示為

與載波相比，多普勒信號頻率非常小，直接變頻無法將差頻與和頻分開，因此本文采用多級變頻方式實現多普勒信號加載。

首先采用數字方式將多普勒信號加載到頻率較低的中頻信號上，進行上變頻，再作為射頻信號的本振，經過多級變頻解決了多普勒信號加載的問題。其原理框圖如圖1所示。

基帶信號IF1與頻率為fLO的本振上變頻，作為1本振，另一路含有多普勒信號的基帶信號IF2與頻率為fLO的本振上變頻作為2本振，射頻輸入信號（fc）與1本振下變頻，再與2本振上變頻，將多普勒信號加載到載波中。

圖1 多普勒信號加載原理框圖

IF1頻率為fIF，IF2與IF1相比，增加多普勒頻移fd，為fIF＋fd。

經過第一次變頻，

1本振頻率

2本振頻率

射頻輸入信號fc與1本振下變頻，再與2本振上變頻，頻率為

經過多次變頻，將多普勒信號加載到載波中。

其頻譜搬移過程如圖2所示。中頻IF1、IF2由DDS直接合成，受器件及成本限制，其頻率較低，雷達載波信號fc頻率往往很高，為了系統的可實現性，需要合理選擇參數，尤其是本振頻率。

圖2 頻譜搬移過程

1）本振fLO1中除了含有和頻成分fLO＋fIF外，還有差頻成份fLO－fIF，為了有效地濾除差頻成份，要求fLO＋fIF與fLO－fIF有足夠的相對頻差。即相對頻差Δf要足夠大，這就要求fLO不能太高（相對Δf），但又不能太低，否則會導致1本振fLO1頻率太低（相對于載波信號fc），與fc下變頻無法有效濾除fc＋fLO1，甚至需要再增加變頻級數才能實現。

綜合考慮，可以參照以下關系選擇參數：

因此，本振頻率選擇參考值為

1本振和2本振分別由中頻信號經過上變頻得到，由于存在變頻損耗，因此需要增加一級放大以提供足夠的本振功率。射頻鏈路上根據輸入和輸出功率要求增加放大和衰減。

3 雜波及其抑制

實際選擇本振頻率，還要考慮器件非理性特性所產生的雜波影響。

實際的放大器是非線性的，輸出信號v0與輸入信號vi關系為

當輸入信號為單頻信號，輸出信號中包含有高次諧波。放大器工作在線性區時，其諧波分量比較小，但當放大器處于飽和時，其輸出中諧波分量明顯增加，尤其是含有豐富的奇次諧波。

混頻器輸出除了含有和頻和差頻外，還會產生互調產物?；祛l器另一個重要特性是端口隔離，LO端口通常是大功率信號，會泄漏到RF和IF端口。處理不當，雜波可能會進入帶內，對系統性能造成影響。對于選擇合適的LO頻率（或IF頻率）需要權衡考慮。

為了分析本振信號經過放大器和混頻器后可能產生的干擾，在沒有射頻輸入的情況下，對各種頻率成分進行分析。

f0經過放大器，由于非線性，輸出有以下主要分量：f0、3f0、5f0，經過混頻器，f0和各次諧波分量會泄漏到RF端和IF端，并且會產生這些頻率成分與本振的混頻產物。

泄漏到IF 端口：f0、3f0、5f0；

泄漏到RF 端口：f0、3f0、5f0；

RF與本振混頻輸出到IF 端口：f0±f0、3f0±f0、5f0±f0。

因此，IF端口（或RF端口）輸出信號含有的頻率成分為0、f0、2f0、3f0、4f0、5f0、6f0。

對于本系統第一級變頻輸出，fIF1（或fIF2，其頻率與fIF1近似相等）與fLO上變頻，作為二級變頻的1本振fLO1（2本振fLO2），其輸出會因本振泄漏產生的fLO，但其功率相對于1本振fLO1、2本振fLO2很小，對射頻鏈路的影響較小。

第二級變頻1本振信號頻率fLO1比接收雷達載波信號頻率fc低很多，1本振信號泄漏到輸出端可以被有效地濾除，但其諧波可能會進入帶內無法濾除，而且1本振需要有足夠的驅動能力，因此增加了一級放大器，可能會產生豐富的諧波，泄漏到輸出端產生雜波干擾。

在ADS對器件非理想特性建模，包括放大器的非線性特性以及混頻器的隔離度根據實際器件參數進行建模，在沒有射頻輸入信號的情況下進行諧波平衡仿真，仿真原理圖見圖3（a），仿真結果見圖3（b），輸出信號中出現各次諧波的組合成分，帶內出現了一個雜波信號，其功率為－20dBm。

為了抑制可能存在的干擾，需要合理選擇本振頻率fLO，使fLO1各次諧波成分盡量遠離fc和fc－fLO1，這樣，選頻濾波器可以有效地將雜波濾除。即：

因此，取

本振頻率：

由上一節得出的fLO參考值

fc雷達工作頻率時確定的，中頻頻率IF由DDS決定，n為正整數，因此，n是可以確定的。據此選擇本振頻率，可以有效地降低雜波信號。根據公式，對本振頻率進行調整，在此仿真，仿真結果見圖4。調整本振頻率后，信號帶內雜波功率小于－70dB，全頻帶內雜波功率小于－60dBm（取決于濾波器帶外抑制特性）。

圖4 仿真結果

要讓所有頻率成分都遠離中頻和射頻信號中心頻率有時是困難的，本系統本振頻率較低（相對于射頻頻率），其可能落在中頻和射頻信號帶內的頻率成分主要是高次諧波。放大器工作在飽和狀態會產生明顯的高次諧波，因此，在保證1本振（和2本振）功率足夠的情況下，盡量小。合理選擇本振驅動放大器參數和輸入中頻信號（IF1、IF2）功率是減小高次諧波的關鍵。

射頻鏈路上增益分配也會對雜波有影響，變頻之前放大模塊只對信號放大，不對雜波放大，變頻之后的放大模塊除了對信號放大外，還會對雜波進行放大，但變頻之前增益過大會造成變頻器飽和，產生新的問題，需要綜合考慮合理分配增益。在各模塊不飽和的情況下，將增益較多的分配在前級，可以有效降低雜波信號的干擾。

4 結語

本文提出了采用多級變頻方式加載多普勒信號來模擬運動目標雷達回波信號，并且分析了參數選擇的原則，中頻（或本振頻率）的選擇是系統內部電磁兼容的關鍵所在，在此基礎上優化各級信號鏈路上的參數以及合理分配鏈路增益可以有效降低可能存在的雜波干擾。研制的原理樣機通過了整機與多普勒雷達對接驗證。

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［2］曾興雯.高頻電路原理與分析［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2006.

［3］張肇儀等譯.微波工程［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［4］李旭東，陳冬，程鵬.二次散射對脈沖激光雷達回波功率的影響［J］.計算機與數字工程，2012，40（1）.