一體化X波段機載雷達接收系統

袁同力，束永江，伍小保

(華東電子工程研究所，合肥 230088)

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一體化X波段機載雷達接收系統

袁同力，束永江，伍小保

(華東電子工程研究所，合肥 230088)

摘要：介紹了一體化X波段無人機載雷達接收系統, 闡述了該接收系統的組成和實現方法, 論述了設計中的關鍵技術，給出了該接收系統的實際應用。

關鍵詞：一體化系統；X波段；接收系統

0引言

現代戰爭中，無人機有著廣泛的應用，機載雷達是戰場偵察領域無人機的主要載荷設備，依據無人機上的雷達系統全面獲取戰場信息，就能夠進行準確的判斷決策。為適應無人機載雷達需求,研制了一體化X頻段無人機載合成孔徑雷達(SAR)/動目標指示(MTI) 雷達接收系統。

1接收系統組成和工作原理

接收系統工作原理：頻率源產生所需要的本振信號和各種時鐘信號，并實時產生雷達需要的任意寬帶和窄帶波形，通過激勵輸出幅度和帶寬符合要求的信號[1]。SAR接收機和MTI接收機分別對回波信號進行處理。SAR接收機對回波信號進行一次變頻處理，然后通過正交解調輸出I、Q信號，信號送入高速模數處理器(A/D)進行處理；MTI接收機對回波信號進行二次變頻，輸出P波段信號，進入數字接收機進行數字下變頻等數字化處理。在結構設計時，組成接收系統的各部分都進行一體化設計，采用搭積木的結構形式，放在天線陣面，緊靠著T/R組件。天線接收的信號經過合成網絡，就近進入接收系統，數字化接收處理后的數據通過光纖傳輸到信號處理分機，光纖信號傳輸技術可以解決高速大容量信號的傳輸瓶頸，大幅度減少連接電纜和提高可靠性。接收系統組成框圖如圖1所示。

圖 1　接收系統組成框圖

該機載接收系統存在著以下問題：

(1) 寬帶波形信號的產生。系統需要提供多種模式和帶寬的波形信號，尤其是合成孔徑雷達成像需要系統提供靈活多變的寬帶波形信號。

(2) 頻率源抗振設計。頻率源輸出的各種本振和時鐘信號對系統的指標影響很大，接收系統工作在機載的環境中，振動對頻率源的穩定度有不可忽視的影響，如何提高頻率源自身的抗振能力極為關鍵。

(3) 寬窄帶接收機的設計

針對以上需要解決的關鍵問題進行了多方面的分析。

2關鍵技術

2.1寬帶波形信號的產生

線性調頻信號是一種常用的雷達信號，因其具有良好的脈沖壓縮特性，在高分辨率、合成孔徑及逆合成孔徑等雷達中都得到了廣泛應用。目前產生系統所需線性調頻信號的方法主要有2種：基于數字直讀波形產生和基于直接數字頻率合成(DDS)技術的波形產生方法[2]。

基于數字直讀波形產生的方法原理簡單，輸出波形事先通過離線的方式產生并存儲到只讀存儲器(ROM)中，工作時讀取ROM數據送到數模轉換器(DAC)產生需要的波形。該方法可以通過事先測量激勵通道的失真來進行波形的預失真補償(但不能實時補償由于溫度等變化造成的失真)獲得較好的波形輸出；對于需要產生任意帶寬、脈寬和調制方式的場合，這種波形產生的方法將不再合適，因為對于寬帶波形產生，DAC轉換速率比較高，因此需要存儲的數據量將非常巨大，現場可編程門陣列(FPGA)或閃存(FLASH)的存儲空間將無法滿足要求，

此時需要將波形數據存儲到上位計算機中，然后在工作間隙通過高速接口(光接口)在線更新波形數據來獲得任意波形。

基于DDS的波形產生方法可以直接使用具有DDS功能的ASIC芯片或基于FPGA加DAC的方式來實現，該方法可以實時產生成像雷達需要的任意波形。常規DDS功能框圖如圖 2所示，包括頻率調制、相位累加和調制、相位幅度轉換、逆Sinc函數補償、幅度調制等幾個部分[3]。

圖2　DDS原理功能框圖

為了直接獲得射頻信號的輸出，目前高速DAC具有跨Nyquist域模式，跨Nyquist域DAC是通過將傳統DAC改為四開關DAC來實現，通過四開關結構DAC可實現模擬混頻功能，該模式下時鐘信號每半個周期內混頻信號的幅值在正幅值和負幅值間波動，這樣DAC混頻信號輸出頻率等于時鐘頻率加上或減去輸入數字信號的頻率，實現跨Nyquist域信號輸出。當DAC轉換時鐘為2.4 GHz時可以直接獲得0 Hz～2.4 GHz頻帶信號的直接輸出。圖 3給出了DAC轉換波形圖和DAC輸出頻譜特性。

圖 3　DAC轉換波形圖和DAC輸出頻譜特性

基于FPGA的高速寬帶DDS設計時，其DAC轉換時鐘可以高達GHz以上，而目前FPGA速度還無法實現GHz以上的速度直接運算，因此目前的實現方法是通過DDS輸出數字樣本信號時間交織的并行實現結構來降速處理，以獲得高速寬帶DDS。對于L倍并行實現的DDS模塊，采用并行結構來實現DDS 算法模塊，其調節參數計算與常規DDS模塊完全一致，因此產生的信號和常規DDS結構產生的完全一樣，信號性能指標沒有變化；同時只要FPGA高速串口數量和速度滿足DAC接口的需求，可以使用該結構產生與任意速度DAC相匹配的數字DDS核。

本方案采用基于FPGA的并行DDS加高速DAC的方式來實現寬帶波形的任意產生，FPGA選擇XILINX公司的高性能V7 系列芯片XC7VX485T，滿足并行DDS以及后續采集和數字接收DDC濾波對資源的需求；DAC選擇成熟應用的ADI公司2.5 GHz 14 bit具有跨Nyquist域功能的DAC/AD9739，在2.4 GHz轉換速率下可以直接輸出L波段、帶寬700 MHz的中頻信號。后級經過二倍頻實現帶寬1 400 MHz的激勵波形信號。

2.2頻率源抗振設計

為滿足系統的相干積累處理和動目標檢測，雷達頻綜器需要具有很高的頻率穩定度，包括長穩和短穩。由于系統需要同時輸出多路高穩信號，方案采用直接合成方式實現系統所需的時鐘和本振信號，同時選用具有寬頻譜抗振動、低相噪、高穩定的恒溫抗振鎖相晶振作參考源。頻綜器選用100 MHz鎖相晶振作參考源，通過頻率合成產生系統所需的各種時鐘和本振信號。

為提高頻綜器模塊的抗振能力，設計時從以下幾個方面綜合考慮：

(1) 在頻綜器模塊中晶體振蕩器對振動最為敏感，晶體振蕩器在振動條件下，其諧振腔的諧振頻率隨外界振動加速度發生變化，這種變化表現為振動加速度的變化頻率對晶體振蕩器的輸出信號進行角度調制，其調制度由加速度敏感度和振動量級共同決定。在實際振動環境中，晶體振蕩器所承受的加速度是隨機振動，即振動功率是隨機分布在頻率、相位、幅度的一個范圍內，使得晶體振蕩器的輸出信號頻譜純度惡化。選用寬頻譜抗振動、低相噪、高穩定的鎖相晶振作參考源，其指標及抗振要求如下：

頻率：100 MHz；

靜態相位噪聲：1 kHz處，-150 dBc/Hz；10 kHz處，-160 dBc/Hz。

該晶體振蕩器選用具有對振動相對不敏感的SC切型晶體設計。

(2) 選取了晶振后，對整個晶振模塊采取優化抗振結構設計是非常關鍵的。由于機載雷達體積小，頻綜器模塊內部安裝空間有限，晶振減振結構設計選用小體積、適合于晶振結構的減振器。該減振器為小型化橡膠阻尼減振器，具有一定的阻尼系數和強度，既能承受晶振自身的重量，對晶振起固定作用；又能對振動有最大限度的緩沖，并適宜于小體積結構安裝。減振器分別安裝在晶振的四角，晶振通過4個減振器固定在頻綜器模塊的底板上，采用四角安裝減振器可實現最好的抗振效果。

(3) 頻綜器模塊中VCO對振動也較為靈敏，由于VCO電路是混合集成，并且其腔體是開放結構，通過4個M2螺釘將VCO電路陶瓷基板固定在銅底板上，然后安裝在頻綜器模塊盒體中。在振動中，蓋板、銅底板的顫動都會影響VCO振蕩器的輸出信號，為了減小這種顫動，將陶瓷基片與銅底板的固定采用焊接形式，并且在蓋板上增加固定螺釘的數量，從而提高VCO的抗振能力。

(4) 晶振采用了減振結構設計，這種減振結構只是一級減振。在實際應用中，對整個頻綜器模塊內部安裝小型減振支架作為一級減振，整個模塊實現兩級減振。

晶體振蕩器相位噪聲的典型值為： Lφi(1 kHz)≤-150dBc/Hz；Lφi(10 kHz)≤-160dBc/Hz。

對于直接合成頻率源，其相噪理論值為：

(1)

以合成器的本振FLO為例，N=60，則其相位噪聲功率譜密度為：Lφo(1 kHz)≈-112 dBc/Hz；Lφo(10 kHz)≈-122 dBc/Hz。

根據工程經驗，因電路失諧和電源干擾等因素，其實際相噪附加值約7～9 dB，因此對于本振其相位噪聲功率譜密度為：Lφo(1 kHz)≈-103 dBc/Hz；Lφo(10 kHz)≈-113 dBc/Hz。

實際測試Lφo(1 kHz)為-102 dBc/Hz。

2.3寬帶接收機的設計

數字變頻和接收相對模擬接收解調有很多優勢，但由于數字處理器件的局限，現在還不能實現寬帶的數字變頻和接收[4]。在X波段SAR工作模式下，對于1 400 MHz帶寬的回波信號來說，采取高中頻解調方式，回波信號先進行下變頻到中頻S波段，然后在S波段進行模擬解調。X波段SAR接收機框圖如圖4所示。

圖4　X波段SAR接收機框圖

寬帶接收機設計需充分考慮以下幾方面的問題：

(1) 寬帶正交解調器的優選；

(2) 合理解決匹配濾波器的實現和增加接收系統復雜程度之間的矛盾；

(3) 抑制各種噪聲和干擾，提高接收系統的靈敏度；

(4) 減小器件的各種非線性和合理分配系統增益，提高系統的線性動態范圍。

根據以上分析，考慮到發射信號波形帶寬最寬為1 400 MHz，X波段SAR接收機接收帶寬設計為最寬1 680 MHz。正交解調器提取了回波信號的幅度和相位信息，為系統提供最大的相干性，提高了系統信號處理增益，同時解決了單個相位檢波器存在盲相和無法識別目標多普勒速度方向的問題。圖5是寬帶正交解調器實現原理電路框圖[5]。

由于該正交解調器工作頻率很高，帶寬很寬，使用常規分立器件合成難以滿足要求，因此選用集成器件來實現框圖中的虛線部分，在保證性能的同時也大大縮小了體積。在正交解調器后級設計具有切比雪夫原型的低通濾波器，以滿足輸出信號帶內良好平坦度和帶外高抑制的要求，從而實現系統指標。

圖5　正交解調器原理框圖

寬帶IQ正交解調器可實現指標為：

I/Q帶寬為：DC～700 MHz

I/Q輸出帶內幅度波動：≤±0.5 dB

I/Q輸出P-1：≥0 dBm

I、Q輸出幅度不平衡度為：≤±1 dB

I、Q輸出相位不正交度為：≤±2.5°

2.44路窄帶接收通道間幅相一致性指標分析

窄帶接收通道采用射頻接收前端加數字接收機的接收方式，4路窄帶通道同時接收，對幅相一致性要求高。通道間幅相一致性不滿足要求時，通道失配，會導致波束形成的副瓣電平升高。通道間滿足幅相一致性要求時，雷達才能實現對目標的穩定跟蹤。如果對4路通道接收的脈沖信號進行相干處理，對通道相位一致性要求更高。

通道間相位一致性，首先取決于每個通道的相位特性，保證每個通道帶內相位波動小，各通道相位特性曲線一致，群延遲起伏小，這樣通道間的相位一致性誤差才能保證較小。

為了滿足要求，需要從電路設計和工藝實現兩方面進行考慮。圖6是接收機的組成框圖，從圖中可看出高指標的開關濾波器組、射頻靈敏度時間控制(STC)放大器、中頻自動增益控制(AGC)放大器是保證接收通道幅相一致性指標的關鍵。

圖6　X波段MTI接收機框圖

因此，在接收通道設計中應充分考慮以下幾個方面的問題：

(1) 開關濾波器組的優選；

(2) 放大器與開關濾波器組的匹配設計；

(3) 抑制各種噪聲和干擾，提高接收系統的靈敏度；

(4) 減小器件的各種非線性和合理分配系統增益，提高系統的線性動態范圍。

從加工工藝來說, 影響相位一致性的因素主要有微帶板的焊接工藝原因導致微帶板釬透率有差異，導致接地不好；微帶板機加工精度不夠引起尺寸精度達不到要求；電裝引入的誤差。在加工中需要針對這幾方面采取措施，保證加工的一致性。

通過以上分析，本系統4路窄帶通道接收機通過采用共性設計，即4路相同的設計和布版，4路相同的工藝實現，有利于實現多通道的幅相一致性，有利于在AD采集后以其中一路為基準對其他各通道分別進行補償校正。其具有集成度高、重量輕、幅相一致性好的特點。

4路子通道接收機能達到的技術指標為：

(1) 射頻信號總帶寬1 200 MHz，一本振跳頻工作，中頻信號帶寬80 MHz；

(2) 通道間幅度不一致性：≤±1 dB；

(3) 通道間相位不一致性：≤±10°。

3實驗結果

目前該接收系統已完成研制，經過了可靠性實驗和機載飛行實驗。所達到的技術指標如下：

工作頻率：X波段；

工作體制：SAR和MTI；

系統工作帶寬：1 400 MHz，800 MHz，400 MHz，100 MHz等；

本振相噪：≤-102 dBc/Hz；

動態范圍：≥85 dB；

脈內信噪比：≥55 dB；

體積：100 mm×100 mm×366 mm；

重量：4 kg。

4結束語

一體化X波段接收系統是機載雷達重要的組成部分，它的體積、重量和功能直接影響雷達系統的性能，研制的一體化接收系統指標性能均滿足無人機載雷達需求，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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Integrative X-Band Airborne Radar Receiving System

YUAN Tong-li，SHU Yong-jiang，WU Xiao-bao

(East China Research Institute of Electronic Engineering，Hefei 230088，China)

Abstract:This paper introduces the integrative X-band unmanned aerial vehicle-based radar receiving system,expatiates the composing and implementation method of the receiving system,discusses the key technologies in the design,presents the actual application of receiving system.

Key words:integrative system；X-band；receiving system

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.010

中圖分類號：TN957.5

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)01-0050-04

收稿日期:2015-11-29