一種X波段船舶導航雷達射頻接收機設計

徐江山，陳振華，金 鑫，葛俊祥

(1. 南京信息工程大學 江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術工程中心, 南京 210044)(2. 南京信大電子科技有限公司， 南京 210061)

·收/發(fā)技術·

一種X波段船舶導航雷達射頻接收機設計

徐江山1，2，陳振華1，金 鑫1，葛俊祥1，2

(1. 南京信息工程大學 江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術工程中心, 南京 210044)(2. 南京信大電子科技有限公司， 南京 210061)

根據(jù)一種X波段船舶導航雷達的總體技術指標，研制了一款與之配套的低噪聲鏡像抑制射頻前端接收機。整個接收機由限幅、低噪聲放大、鏡像抑制混頻三個主要功能模塊構(gòu)成。在研制過程中采取由獨立到集成的研制思路，在每個獨立模塊的性能經(jīng)測試符合技術指標的基礎上再進行整個接收機的集成設計及實驗測試，給出了接收機的噪聲及鏈路增益測試曲線。測試結(jié)果表明：該射頻接收機在9.36 GHz～9.46 GHz頻率范圍內(nèi)具有3.6 dB的噪聲系數(shù)及2.5 dB的鏈路增益，鏡像抑制度達到30 dB，各項性能指標均滿足船舶導航雷達使用要求。整個前端模塊體積小、成本低，適合民用領域的規(guī)模化生產(chǎn)。

X波段；導航雷達；接收機；低噪聲；鏡像抑制

0 引 言

船舶導航雷達是船舶安全航行的重要保障，但目前國內(nèi)船舶導航雷達國產(chǎn)化率相對較低，主要依靠進口，如：日本的古野、JRC等。射頻接收機作為雷達前端的重要組成部分，它的主要功能是在大動態(tài)范圍內(nèi)實現(xiàn)回波信號從射頻到中頻的轉(zhuǎn)換以適應后端的信號處理。因此，自主研發(fā)設計一臺性價比較高的船舶導航雷達射頻接收機就有較強的現(xiàn)實意義。如今，船舶導航雷達射頻接收機前端方面也出現(xiàn)了許多新的技術[1]，新技術的應用大大地提高了射頻接收機的性能。

本文提出的X波段船舶導航雷達射頻接收機根據(jù)雷達總體性能要求進行技術指標的分配，以動態(tài)范圍大、噪聲系數(shù)小、鏡像抑制度高為研制目標，在研制過程中結(jié)合成本控制，在性能與成本之間進行折中考慮，以期研制出性能合格、成本低廉，適合在民用市場大規(guī)模推廣的雷達射頻接收機。實驗結(jié)果表明：所研制的接收機性能參數(shù)滿足設計指標要求。

1 射頻接收機設計

1.1 技術指標及設計方案

本船舶導航雷達工作在X波段，單脈沖體制，中心頻率為9.41 GHz，帶寬為60 MHz，輸出中頻頻率為60 MHz。為了滿足船舶導航雷達的使用，綜合考慮成本、性能等因素，提出了本射頻接收機的設計指標：

噪聲系數(shù)：小于4 dB

前端增益：大于2 dB

鏡像抑制度：大于20 dB

靈敏度：優(yōu)于-95 dBm

動態(tài)范圍：大于80 dB

綜合考慮動態(tài)范圍、靈敏度、小型化和線性度的要求，本文采用一級變頻的超外差結(jié)構(gòu)來對射頻前端接收機進行設計[2]。整個射頻接收機系統(tǒng)主要由限幅、低噪聲放大、鏡像抑制混頻三個主要功能模塊構(gòu)成[3]。為盡可能降低成本，選擇價格較為便宜的0.4 mm厚FR4板材作為整個射頻接收機的基板。射頻接收機系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 射頻接收機系統(tǒng)框圖

限幅器主要是用來抑制大強度干擾信號對接收機的沖擊，防止其進入射頻接收機燒毀其他微波器件。天線接收到的微弱射頻信號經(jīng)過限幅器后進入低噪聲放大器，以最大程度地減少本地噪聲的引入。考慮到鏡頻信號與本振信號相距較近，如果在混頻前使用濾波器進行濾除難度較大，所以本文使用了鏡像抑制混頻的方案，在實現(xiàn)濾除鏡頻信號的同時還可以減小損耗。

1.2 限幅器的選擇

限幅器作為一種重要的微波控制器件已被廣泛應用于雷達接收系統(tǒng)中。它在接收雷達回波小信號時，對信號本身僅會產(chǎn)生非常低的損耗；而當有較強信號功率進入時，限幅器將會對該信號產(chǎn)生很大的衰減以保護后級器件的安全[4]。

本系統(tǒng)對限幅器的指標要求為：在X波段，小信號插入損耗小于0.5 dB，限幅電平為15 dBm；在頻率為9.41 GHz、脈寬為0.8 μs、占空比為0.48‰的情況下能承受的最大脈沖功率為50 dBm。

基于指標要求，本文選取了Macom公司生產(chǎn)的某型號限幅二極管。該型號限幅二極管采用TDFN封裝，價格低廉，性能良好，便于焊裝。

為了承受峰值50 dBm的功率沖擊，采用兩級限幅器級聯(lián)的布局，逐級限幅，以保證器件的安全。

1.3 低噪聲放大器的設計

本文選用Eudyna公司生產(chǎn)的FH40LG型號晶體管來對低噪聲放大器進行設計，該晶體管噪聲系數(shù)小、增益大，只需采用一級結(jié)構(gòu)就能滿足系統(tǒng)設計要求，大大減小了系統(tǒng)的成本和體積。本文低噪聲放大器設計指標為：工作頻率9.36 GHz～9.46 GHz，噪聲系數(shù)小于1.5 dB，增益大于13 dB。低噪聲放大器原理圖，如圖2所示。

圖2 低噪聲放大器原理圖

對于單級低噪聲放大器而言，其噪聲系數(shù)計算公式為

(1)

式中:Fmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，由晶體管自身決定；Γopt、Rn和Γs分別為獲得最小噪聲系數(shù)時的源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻和晶體管輸入端的源反射系數(shù)。低噪聲放大器的輸入匹配網(wǎng)絡采用最小噪聲系數(shù)匹配。當Γs=Γopt時，低噪聲放大器的噪聲系數(shù)最小[5]。

在低噪聲放大器的設計中，通常定義增益為負載吸收的平均功率與信號源最大資用功率的比值，即

(2)

式中：PL為負載吸收的平均功率；Ps為信號源最大資用功率。輸出匹配網(wǎng)絡一般采用共軛匹配以獲得較大增益。

為了獲得良好的噪聲性能，低噪聲放大器(LNA)采用雙電源對晶體管進行供電，以穩(wěn)定靜態(tài)工作點；用0.1 mm的高阻線進行饋電，并在枝節(jié)上加90°微帶扇形線對射頻信號等效開路。低噪聲放大器實物，如圖3所示。

圖3 低噪聲放大器實物

使用Agilent N8975A型號噪聲系數(shù)分析儀對LNA的增益和噪聲系數(shù)進行測量，實測結(jié)果如圖4所示。

圖4 低噪聲放大器實測結(jié)果

實測結(jié)果表明：低噪聲放大器在中心頻點9.41 GHz處100 MHz帶寬內(nèi)，增益G優(yōu)于13 dB，噪聲系數(shù)nf小于1.5 dB。

1.4 鏡像抑制混頻器的設計

鏡像抑制混頻器采用低本振下變頻方式，主要設計指標為：射頻中心頻率9.41 GHz，帶寬60 MHz，輸出中頻頻率60 MHz，射頻功率范圍-85 dBm～-5 dBm，鏡頻抑制度>20 dB，變頻損耗<10 dB。

鏡像抑制混頻器包括兩個單平衡混頻器、一個微帶環(huán)形電橋、一個3 dB定向耦合器和一個中頻正交耦合器。混頻二極管采用Avago HSMS-8202混頻二極管對。鏡像抑制混頻器的原理框圖如圖1中虛線框內(nèi)所示。

射頻信號從定向耦合器的輸入端口輸入，本振信號從環(huán)形電橋輸入端口輸入。射頻信號和鏡頻干擾信號輸入3 dB定向耦合器，分別在兩個單平衡混頻器輸入端口形成等幅正交的兩組信號；本振信號通過環(huán)形電橋產(chǎn)生等幅同相的兩組信號，分別驅(qū)動兩個單平衡混頻器；混頻后輸出的兩路中頻信號送入中頻正交耦合器，經(jīng)正交合成后輸出所需要的中頻信號，而鏡頻信息將被抑制。具體分析過程如下：

設有用的回波信號電壓為

μs=2Usmcosωst

(3)

式中：Usm為回波信號電壓峰值；ωs為射頻信號頻率。

本振信號為

μp=2Upmcosωpt

(4)

式中：Upm為本振信號電壓峰值；ωp為本振信號頻率。

鏡頻干擾信號為

μi=2Uimcosωit

(5)

式中：Uim為鏡頻信號電壓峰值；ωi為鏡頻信號頻率。

同時Up>Us，頻率之間相互關系為

ωs-ωp=ωp-ωi=ωIF

(6)

式中：ωIF為中頻信號頻率。

所以加到兩個單平衡混頻器上的信號電壓和本振電壓分別為

(7)

(8)

(9)

(10)

由于混頻二極管在本振信號激勵下的非線性電導為

g1=g0+2g1cosωpt+2g2cos2ωpt+…

(11)

式中：g0、g1、g2為不同諧波下的電導。則當僅考慮基波混頻時，兩個單平衡混頻器上的電流分別為當信號輸入端饋入鏡像干擾信號μi。

I1= 2g1cosωpt·Uimcosωit=

g1Uimcos(ωp-ωi)t+

g1Uimcos(ωp+ωi)t

(12)

I2= 2g1cosωpt·Uimcosωit=

(13)

可以看到：其中一個單平衡混頻器的鏡像中頻電流相位滯后于另一個單平衡混頻器，再經(jīng)過中頻正交耦合器90°相移，剛好反相抵消，從而輸出有用的中頻信號[6]。

1.4.1 環(huán)形電橋與3dB定向耦合器的設計

微帶環(huán)形電橋主要用于本振信號的等幅正交分配，以驅(qū)動兩個單平衡混頻器。

3dB定向耦合器主要用于射頻信號的分配，將射頻信號平均分配給兩個單平衡混頻器，兩個射頻信號相位相差90°。此外單平衡混頻器的設計中也用到了3dB定向耦合器。

本文在HFSS軟件中對微帶環(huán)形電橋和3dB定向耦合器進行了建模、仿真并優(yōu)化。

1.4.2 低通濾波器的設計

單平衡混頻器中的低通濾波器主要用于對泄漏到中頻輸出端的本振信號和射頻信號以及它們的諧波信號進行抑制。本設計中的低通濾波器采用CMRC低通濾波器，CMRC低通濾波器具有寬阻帶、高抑制度、體積小的特點。從仿真和實測結(jié)果也看出：CMRC低通濾波器使鏡頻抑制和各端口隔離度都得到較大改善[7-8]。CMRC低通濾波器實測結(jié)果如圖5所示。

圖5 CMRC低通濾波器實測結(jié)果實物圖

實測結(jié)果顯示，該低通濾波器在60MHz處插入損耗S(2,1)小于0.1 dB，在9 GHz～30 GHz的頻帶內(nèi)抑制度優(yōu)于20 dB，可以對泄漏到中頻輸出端的本振信號、射頻信號以及它們的諧波信號進行很好地抑制。

1.4.3 中頻正交耦合器的設計

由于中頻正交耦合器輸出為中頻，如果采用分布參數(shù)或者半集總參數(shù)型的中頻正交耦合器進行設計的話體積太大。因此，本文采用了集總元件的支線耦合器[9]。中頻正交耦合器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 中頻正交耦合器結(jié)構(gòu)圖

仿真設計得到：在60 MHz處，2、3端口相位差為90°，插入損耗小于0.1 dB，回波損耗小于-20 dB。

中頻正交耦合器實物如圖7虛線框部分所示，用Agilent N5183A信號源從2端口輸入60 MHz的中頻信號，5端口和7端口輸出信號通過示波器予以顯示，實測結(jié)果如圖8所示。

圖7 鏡像抑制混頻器

從實測結(jié)果可以看出：兩路信號相位相差90°，振幅基本一致，滿足設計使用要求。

1.4.4 鏡像抑制混頻器設計

各部分電路設計完成以后，對鏡像抑制混頻器版圖進行了繪制和加工，實物如圖7所示。圖中1為射頻信號輸入端口，2為中頻信號輸出端口，3為本振輸入端口，4、6分別用同軸線與5、7相連。

圖8 中頻正交耦合器實測結(jié)果

使用Agilent N5183A和E8267D信號源分別從1端口和3端口輸入射頻信號和本振信號，2端口輸出的中頻信號通過AV4037MC頻譜分析儀獲取。鏡像抑制混頻器的變頻損耗與鏡像抑制度實測結(jié)果，如圖9所示。

圖9 鏡像抑制混頻器實測結(jié)果

實測結(jié)果可以看出：本文設計的鏡像抑制混頻器在中心頻點處100 MHz帶寬內(nèi)，射頻信號變頻損耗LR在10 dB以內(nèi)，鏡頻信號變頻損耗LS大于35 dB，鏡像抑制度α優(yōu)于25 dB。

2 實驗結(jié)果

完成系統(tǒng)仿真設計后，對電路板進行繪制加工，射頻接收機實物如圖10所示。圖中各部分連接方式與圖7相同。

圖10 射頻接收機

采用與測試鏡像抑制混頻器變頻損耗與鏡像抑制度相同的方法測試射頻接收機的增益與鏡像抑制度，實測結(jié)果如圖11a)所示。使用Agilent N8975A噪聲系數(shù)分析儀對射頻接收機的噪聲系數(shù)進行測量，實測結(jié)果如圖11b)所示。

圖11 射頻接收機實測結(jié)果

實測結(jié)果可以看出：整個射頻接收機增益G大于2.5 dB；鏡像抑制度αm優(yōu)于30 dB，整個射頻接收機鏡像抑制度相比于圖9中鏡像抑制混頻器的抑制度有5 dB的改善，主要是因為本設計的低噪聲放大器的帶寬較窄；噪聲系數(shù)nf小于3.6 dB。射頻接收機模塊能夠較好地將射頻信號轉(zhuǎn)換成易于處理的中頻信號。

3 結(jié)束語

本文完成了X波段船舶導航雷達射頻前端接收機的設計、加工與測試，從測試結(jié)果可以看出：整個射頻前端接收機性能符合技術指標要求，成本低廉，能夠滿足X波段船舶導航雷達的使用需求。

[1] 王世遠．船用導航雷達[M]．大連: 大連海事大學出版社, 2014. WANG Shiyuan. Marine navigation radar[M]. Dalian: Dalian Maritime University Press, 2014.

[2] 牛 綱．微波射頻電路設計與仿真100例[M]．北京: 電子工業(yè)出版社，2011. NIU Gang. Microwave radio frequency circuit design and simulation of 100 cases[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2011.

[3] 付 進，趙智兵．寬帶數(shù)字接收機射頻前端電路設計[J]．電子科技，2014，27(11):157-159. FU Jin, ZHAO Zhibing. Design of wide band digital receiver RF front-end [J]. Electronic Science and Technology, 2014, 27(11) :157-159.

[4] 顧曉春．X波段小型化無源限幅器的研究[J]．現(xiàn)代雷達，2005，27(8): 59-61. GU Xiaochun. Research on X-band passive limiter with small size[J]．Modern Radar, 2005, 27(8): 59-61.

[5] 潘 安，成 浩，葛俊祥．X波段低噪聲放大器的設計與仿真[J]．現(xiàn)代雷達，2014，36(1): 66-69. PAN An, CHENG Hao, GE Junxiang. Design and simulation of an X-band low noise amplifier[J]. Modern Radar, 2014, 36(1): 66-69.

[6] 王培章，余同彬，晉 軍．微波射頻技術電路設計與分析[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2012. WANG Peizhang, YU Tongbin, Jin Jun．Microwave radio frequency circuit design and analysis[M]．Beijing∶National Defense Industry Press, 2012.

[7] HAYATI M, TABAR M S．Microstrip lowpass filter with ultra-wide stopband using triangular shaped CMRC[J]．International Journal of Electronics, 2014,101(11): 1503-1510.

[8] ZHANG C F. Compact and wide stopband lowpass filter with novel comb CMRC[J]．International Journal of Electronics, 2009, 96(7): 749-754.

[9] 王 超．相位平衡式鏡頻抑制混頻器的ADS仿真與設計[J]．艦船電子工程，2013, 23(10)：48. WANG Chao．Simulation and design of phase-balanced image-rejection mixer[J]．Ship Electronic Engineering, 2013, 23(10): 48.

徐江山 男， 1990年生，碩士研究生。研究方向為微波射頻電路。

陳振華 男， 1984年生，博士，講師。研究方向為微波毫米波電路與系統(tǒng)。

金 鑫 男，1994年生，本科。研究方向為電路測試。

葛俊祥 男，1960年生，教授，博士生導師。研究方向為雷達系統(tǒng)、微波毫米波與天線技術、電磁散射與繞射理論。

Design of an X-band Marine Navigation Radar RF Receiver

XU Jiangshan1,2，CHEN Zhenhua1，JIN Xin1，GE Junxiang1,2

(1. Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China) (2. Nanjing Xinda Electronic Technology Company Limited, Nanjing 210061, China)

An X-band low noise RF receiver with image rejection characteristic is developed in this paper according to the overall technical indicators of marine navigation radar. Three function modules, limiter, low noise amplifier, image-rejection mixer, are included in the proposed receiver. In the process of development, a discrete-to-integrated development scheme is adopted. The integrated design and test of the whole receiver are completed on the basis that the performance of each discrete module is in accordance with technology index. The measured noise figure and gain of the developed receiver are given in this paper. In the 9.36 GHz～9.46 GHz band, the noise figure of 3.6 dB is achieved and the gain is 2.5 dB. The image rejection is greater than 30 dB. The test results show that the developed RF receiver can fully meet the requirements of the marine navigation radar. The whole receiver module is compact, with low-cost and is suitable for mass production of civilian areas.

X-band; navigation radar; receiver; low noise; image rejection

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.04.016

江蘇省信息與通信工程優(yōu)勢學科(二期)基金資助；2013年江蘇省科技型企業(yè)技術創(chuàng)新資金項目(BC2013031)；2014年大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃(201410300241C)

葛俊祥 Email：jxge@nuist.edu.cn

2015-11-17

2016-01-08

TN722.3

A

1004-7859(2016)04-0068-05