高靈敏度大動態范圍船用導航雷達對數中頻放大器設計

蔡　瀟,陳敬軍

(海軍駐上海地區電子設備軍事代表室，上海200233)

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高靈敏度大動態范圍船用導航雷達對數中頻放大器設計

蔡瀟,陳敬軍

(海軍駐上海地區電子設備軍事代表室，上海200233)

摘要：對數中頻放大器是船用導航雷達接收系統的核心組成部分，其性能優劣直接關系導航雷達接收系統的動態范圍和對小目標的探測能力。本文介紹了一款全新設計對數中頻放大器，其靈敏度高達-96 dBm，輸入1 dB壓縮點為-8 dBm，噪聲系數為1.2 dB，同時針對不同的發射脈寬，具有3種巴特沃茲帶通濾波器選擇功能。

關鍵詞：對數中頻放大器；大動態范圍；巴特沃茲帶通濾波器；船用導航雷達接收系統

0引言

船用導航雷達主要用于海上目標的探測與跟蹤，輔助船舶導航避碰，保障航行安全。隨著船舶航行環境的日益復雜，導航雷達的性能，特別是在海雜波條件下對周圍目標的發現能力，直接關系到船舶航行安全與船上人員的生命安危。如何增強海雜波下小目標的發現能力，一直是當今船用導航雷達技術研究的重點,也促使各個廠家不斷使用新技術來提高雷達性能[1]。所謂海雜波是海浪表面對雷達發射射頻脈沖信號的后向散射[2]，其在近量程海域嚴重地制約了導航雷達對艦船、浮標和其他海面目標的探測能力。為了在強海雜波條件下進一步提高小目標的發現能力，導航雷達接收系統的性能也必須提高。對數中頻放大器是導航雷達接收系統的重要組成部分，其性能直接影響了雷達系統的檢測靈敏度和接收系統的動態范圍[3]。

文獻[4]介紹了一款基于SBM064中頻對數放大器的中頻接收機，其性能優良，但其工作中心頻率為30 MHz，工作帶寬只有幾百千兆赫，完全不能滿足導航雷達中頻60 MHz、帶寬20 MHz信號需求。文獻[5]采用兩級AD8350線性放大器和一級AD8309對數放大器組成的中頻對數放大器，其動態范圍雖然達到98 dB，但其噪聲系數為5 dB，靈敏度也只有-90 dBm，對雷達小目標的發現能力較弱，而且中頻對數放大器僅具有一種帶寬，無法針對多種發射脈寬選擇不同的中頻帶寬，從而不適合應用于導航雷達接收系統。

本文介紹了一款大動態范圍高靈敏度的對數中頻放大器，其靈敏度可達-96 dBm，輸入-1 dB壓縮點為-8 dBm，整個中頻放大器的動態范圍為88 dB，雖然動態和文獻[5]相比有所減小，但該動態范圍完全滿足船用導航雷達領域應用，和文獻[5]相比，靈敏度提高了6 dB。這極大地提高了雷達接收系統對小目標的發現能力。除此之外，為提高不同量程下導航雷達的目標分辨率，目前流行的導航雷達通常采用多種發射脈寬，針對不同發射脈寬，設計了5 MHz，10 MHz和20 MHz 3種不同帶寬的帶通濾波器,其中10 MHz和20 MHz濾波器分別設計成為3階和4階巴特沃茲帶通濾波器[6]。這有效地減小了不同脈寬下的噪聲電平，提高了接收機的靈敏度，增強了雷達系統對小目標的發現能力。

1對數中頻放大器結構和電路設計

圖1為對數中頻放大器的系統框圖。整個對數中頻放大器主要由低噪聲中頻放大電路、三路不同帶寬帶通濾波器、對數放大檢波電路和推挽驅動電路組成。

圖1　對數中頻放大器的系統框圖

圖2　對數中頻放大器原理圖

圖2為對數中頻放大器板原理圖。如圖所示，60 MHz中頻回波信號首先進入低噪聲中頻放大電路。低噪聲中頻放大電路基于由低噪聲三極管Q1和Q2構成沃爾漫電路。Q1、Q2選擇由英飛凌公司的BFR183寬帶低噪聲三極管,其最小噪聲系數為1.2 dB。使用沃爾漫電路可以有效減少低噪聲中頻放大器輸入端的密勒效應，提高低噪聲中頻放大器的帶寬。C1為隔直電容，用于去除中頻回波信號中的直流分量。根據Q1的芯片手冊，適當選擇外圍R2、R3電阻數值，使得流過Q1、Q2的電流約為10 mA，這時使噪聲系數最小，為1.2 dB。中頻回波信號通過低噪聲放大電路低噪聲放大后通過隔直電容C4，進入帶通選擇電路。

帶通選擇電路由3路帶通濾波器組成，由下而上分別為5、10和20 MHz。其中由于5 MHz濾波器帶寬較窄，中心頻率精度要求較高(60±0.1 MHz)，為了方便調節，采用π型高通濾波器和雙中周(T1、T2)調諧電路的形式實現。由L5、C8和L6組成的π型高通濾波器的截止頻率為30 MHz，通過調節由T1和T2組成的調諧電路上調節旋鈕，可以方便實現中心頻率60 MHz、帶寬5 MHz的帶通濾波器。中間通路為3階Butterworth帶通濾波器，采用插入損耗法進行設計，帶寬為10 MHz。Butterworth帶通濾波器相比于Chebyshev濾波器具有更高的帶間平坦度[6]。上部通路為4階Butterworth帶通濾波器，具有更好的帶寬選擇特性，帶寬為20 MHz。三路不同濾波器之間的切換通過雙向開關二極管U1、U3和U2、U4實現。帶寬選擇信號1和帶寬選擇信號2都為直流電壓信號，分別通過L2、L12和L1、L13連接到U1、U3和U2、U4。當帶寬選擇信號1為低電平(-5 V)時，U1中右側二極管導通，U2中左側二極管導通，使得中頻信號通過下端通路(5 MHz帶通濾波器通路)進入對數放大檢波電路。當帶寬選擇信號1為高電平(5 V)、帶寬選擇信號2為高電平(5 V)時，中頻信號通過中路10MHz帶通濾波器。

由于帶通選擇電路主要由感性、容性器件組成，在帶通選擇電路和對數放大電路之間加入由Q3實現的射極跟隨器作為隔離(Q3也為BFR183)，利用其輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點，可以有效提高電路間阻抗匹配。中頻信號通過C33隔直電容后進入對數放大檢波電路。對數放大檢波電路使用AD公司的AD8310芯片。AD8310是一個高速電壓輸出、解調范圍為DC至400 MHz的對數放大檢波芯片，其內部含有6個串聯放大器，每個放大器的小信號增益為14.3 dB，其內部使用9個檢波器，檢波范圍從-91 dBV至4 dBV。在100 MHz時其對數線性度的典型值在±0.4dB以內。為了發揮AD8310的最佳性能，參考其芯片手冊，在AD8310輸入端加入由R8、L14、C24組成的輸入匹配網絡。經過AD8310對數放大檢波后的雷達視頻回波信號進入推挽驅動電路。

推挽驅動電路由共基極放大Q4和推挽放大器Q5、Q6組成。+V經R9、R10分壓后給Q4基極提供基極偏置電壓。C25起到濾波的作用，使得Q4基極電壓更加穩定。R13和R11的比值決定了共基極放大器的放大倍數。基極放大器有效克服了Q4的密勒效應，提高了放大器的帶寬。由Q5、Q6組成的推挽放大器采用正負電源+V、-V供電。在不處理雷達視頻信號時，處于平衡狀態，Q5和Q6中無電流流過，最小化了推挽電路的功耗。U6用于電壓補償Q5和Q6門限導通電平，克服推挽電路的開關失真。推挽輸出加強了電路的驅動能力。雷達視頻信號經過推挽驅動電路后，再由C28隔直后，通過同軸線纜輸送到雷達終端進行顯示。

2實驗結果

圖3為三路帶通濾波器的測試結果，其中圖3(a)為5 MHz帶通濾波器，其帶寬窄，主要針對雷達長脈沖的中頻回波信號進行濾波。圖3(b)和圖3(c)分別為10 MHz 3階和20 MHz 4階巴特沃斯帶通濾波器，分別對中脈沖和短脈沖中頻回波信號進行濾波。

由于整個放大器板的動態范圍的上限主要取決于輸入端低噪聲放大電路的-1 dB壓縮點輸入功率。圖4為60 MHz低噪聲放大電路輸出功率隨輸入功率的變化結果。由圖4所知，在輸入功率為-8 dBm時，低噪聲放大電路輸出功率和理想線性輸出功率值之間相差1 dB，即低噪聲放大電路的輸入-1 dB壓縮點功率為-8 dBm。

中頻放大器板的噪聲系數主要由第一級的低噪聲放大器決定[6]。噪聲系數的確定需要對低噪聲放大電路進行單獨的測量，但由于低噪聲放大器電路為對數中頻放大器板的組成部分，無法分割，所以采用安捷倫公司的ADS(Advanced Design Systems)軟件仿真得到的低噪聲放大器噪聲系數。安捷倫公司的ADS是世界領先的電子設計自動化軟件，其仿真結果精確，廣泛應用于射頻模擬電路設計中。由圖可知，60 MHz中頻時低噪聲放大器的噪聲系數仿真結果約為1.3 dB，整個對數中頻對數放大器的靈敏度為-96 dBm，動態范圍為88 dB。

圖3　5、10和20 MHz帶通濾波器測試結果

圖4　60 MHz時低噪聲放大電路輸出功率隨輸入功率的變化

圖5　低噪聲放大電路噪聲系數ADS仿真結果

3結束語

本文介紹了一個全新的高靈敏度大動態范圍船用導航雷達對數中頻放大器的詳細設計并進行了測試驗證，其靈敏度高，動態范圍大，具有3種帶寬選擇，特別適合船用導航雷達接收系統的工程應用。

參考文獻

[1]常會振.船舶導航雷達發展趨勢的研究[J].中國水運，2013(1).

[2]行鴻彥,龔平,徐偉.海雜波背景下小目標檢測的分形方法[J].物理學報,2012.

[3]John N Briggs.航海雷達目標檢測[M].北京：電子工業出版社，2009:21-22.

[4]李寶森,姚國國.真對數放大器SBM064在雷達中頻接收機中的應用[J].電子器件,2011.

[5] 魏旭輝，姚振東.雷達中頻放大器的線性對數雙特性設計[J].現代雷達，2012.

[6]David M Pozar.微波工程[M].4版.北京：電子工業出版社，2012:25-27.

Design of a logarithmic intermediate frequency amplifier of marine navigation radar with high sensitivity and large dynamic range

CAI Xiao, CHEN Jing-jun

(Military Representative Office of Electronic Equipment of the PLA Navy in Shanghai, Shanghai 200233)

Abstract:The logarithmic intermediate frequency (IF) amplifier, the performance of which greatly affects the dynamic range and small target detection capability of the receiver system of the marine navigation radar, is a key component of the radar receiver system. A new logarithmic IF amplifier is designed with the sensitivity up to -96 dBm, the input 1 dB compression point of -8 dBm, and the NF of 1.2 dB. At the same time, the logarithmic IF amplifier has three different Butterworth band-pass filters designed for various transmitting pulse widths.

Keywords:logarithmic IF amplifier; large dynamic range; Butterworth band-pass filter; marine navigation radar receiver system

中圖分類號：TN72

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0401(2016)01-0056-04

作者簡介:蔡瀟(1990-)，男，助理工程師，研究方向，雷達工程；陳敬軍(1971-)，高級工程師，博士，研究方向：信號處理與反魚雷技術。

收稿日期：2016-01-12