一種UHF波段8通道數字陣列模塊設計

胡善祥 王 強 高 菡 伍小保 朱文松 王 冰

(中國電子科技集團公司第三十八研究所合肥 230088)

接收發射技術

一種UHF波段8通道數字陣列模塊設計

胡善祥 王 強 高 菡 伍小保 朱文松 王 冰

(中國電子科技集團公司第三十八研究所合肥 230088)

介紹了采用高精度數字延時補償和一次有源混頻方式的UHF波段8通道數字陣列模塊，其內部集成8個相互獨立的模擬收發通道、8通道數字接收、8通道數字波形產生，以及本振功分器、時鐘分配器、分布式電源、數據傳輸和光電轉換等部分，其單通道發射輸出脈沖峰值功率大于180W，脈內信噪比大于55dB，脈沖頂降小于1dB，接收噪聲系數小于2.0dB，接收信噪比大于55dB，通道間隔離度大于30dB。該數字陣列模塊集成度高、接口簡潔、性能穩定、環境適應能力強、可靠性高，現已批量應用于某遠程預警相控陣雷達。

數字陣列模塊;UHF波段;數字陣列雷達;數字收發

0 引 言

數字陣列模塊(DAM)是采用集成化和數字化技術，將射頻收發單元、本振功分單元、中頻數字收發單元、分布式電源、集中式電源、分布式參考源等功能電路整合并一體化設計，完成雷達數字化收發、數據預處理及數據傳輸功能的新型多通道收發模塊，數字陣列模塊是數字陣列雷達(DAR)的基本單元，它的體積、重量、成本、技術指標等決定了數字陣列雷達的技戰術指標的高低，從某種程度上也決定了數字陣列雷達的生存價值和使用價值［1－3］。本文介紹的DAM包含8個相互獨立的模擬收發通道、8通道數字接收機、8通道數字波形產生，以及本振功分器、時鐘分配器、分布式電源、數據傳輸和光電轉換等部分;具有多通道高密度集成、全數字收發一體、緊湊的三維布局、接口簡潔、環境適應能力強等技術特點，在防空、反導、預警雷達等領域具有廣泛的應用前景。

1 DAM設計與分析

數字陣列雷達不僅具有常規相控陣雷達的所有優良性能，同時具有更大的波束調度靈活性、更好的抗有源干擾性能，數字陣列雷達的發展需要高性能、高集成、低成本的DAM，本DAM的設計采用模塊化、集成化的設計思路，將8個基本收發通道單元采用緊湊的三維結構布局方式構造成一個DAM。該DAM有8個獨立的收發模擬通道;數字接收和數字波形產生8通道一體化設計，共用一個PCB板;上下變頻所需的本振信號由一根電纜輸入，然后功分到8個通道;基準時鐘、DDS采樣時鐘和ADC?采樣時鐘由一根電纜輸入，在DAM內部實現分路;電源采用集中28V輸入，在DAM內部完成DC/DC變換。結構布局上，DAM正面為8路模擬收發通道，背面為分配網絡與數字收發板，中間為散熱水道。UHF波段8通道DAM組成框圖如圖1所示。

圖1 UHF波段8通道DAM組成框圖

其中由小型化的發射功率模塊、限幅低噪聲放大模塊、一次有源混頻模塊組成的模擬收發通道與一體化數字收發為該DAM的核心組成部分，下面將對每個核心功能單元的具體設計進行闡述。

(1)小型化的發射功率模塊

發射功率模塊由三級放大鏈路組成，末級采用國產的200WLDMOS功率管，通過三維立體布局、優化匹配電路，設計高增益、小型化的固態功率模塊。發射功率模塊的尺寸為60mm×40mm× 16mm，具有體積小、可靠性高、易維修、低成本等優點。

功率模塊具有控制、保護功能，可以實現遙控開關機，每路可以單獨控制。在接收工作期間，功率模塊各級放大器處于關斷狀態，提高收發環路穩定性的同時保證了接收通道的噪聲電平穩定;在發射正常工作狀態，送出發射功率是否低于門限值的脈沖指示信號。發射功率模塊的主要技術指標為:

①工作頻率:UHF波段

②輸出功率:≥200W

③脈沖頂降:≤1.0dB

④最大脈寬:≥15ms

⑤最大工作占空比:≥33%

(2)限幅低噪聲放大模塊

DAM發射通道輸出功率大于180W，由于天線陣面分布大量的收發組件，雷達工作時進行電掃描，以及存在其它電磁反射現象，在天線陣面上工作的限幅低噪聲放大器的耐功率要遠大于180W;為提高可靠性，縮短限幅時間，限幅低噪聲放大模塊采用半有源、平衡式方式實現，具有駐波小，抗同步、異步燒毀能力強等優點。接收限幅低噪聲放大模塊的主要技術指標為:

①工作頻率:UHF波段

②增益:≥35dB

③噪聲系數:≤1.2dB

④承受峰值功率:400W

⑤開關時間:≤1μs

⑥限幅電平:≤13dBm

限幅低噪聲放大模塊內部還集成了LC帶通濾波器，濾除帶外強干擾信號，提高了系統的抗干擾能力。

(3)一次有源混頻模塊

一次有源混頻模塊是DAM實現頻率變換功能的模塊，包括用于發射支路的上變頻和用于接收支路的下變頻，主要由UHF波段SiGe－BiCMOS收發一體化變頻芯片、射頻開關、中頻濾波器等組成，采用FR4多層印制板實現高集成度變頻電路。一次有源混頻模塊采用多功能收發一體化變頻單芯片實現收發變頻放大，不僅集成度較高，可靠性也得到大幅度提高;模塊采用標準的SMT工藝，提高了生產成品率，同時降低了生產成本。一次有源混頻電路原理框圖及實物照片分別如下圖所示:

圖2 一次有源混頻電路原理框圖

圖3 一次有源混頻模塊實物照片

一次有源混頻模塊實現上下變頻處理，集成接收、發射通道、收發切換開關以及端口匹配元件。接收通道集成鏡像抑制混頻器、低通濾波器、可變增益放大器和中頻功率放大器;發射通道由可變增益放大器、邊帶抑制上變頻器和射頻放大器器組成。收發通道增益可由數字增益管腳進行編程控制。收發通道均采用雙平衡的鏡像抑制混頻器，本振泄露較低，此外可以實現大于30dB的鏡像和邊帶抑制度。一次有源混頻模塊的技術指標如表1所示:

(4)一體化數字收發

一體化數字收發應用FPGA、DDS和多通道ADC，在一塊印制板上實現8通道的數字化接收機和8通道的數字波形產生器。基于軟件無線電思想在中頻數字化、數字解調產生基帶I/Q信號來進行設計。主要包括抗混疊濾波器、中頻采樣ADC、基于FPGA實現的數字下變頻(DDC)和數字波束形成(DBF)處理、光纖通信接口等。

表1 一次有源混頻模塊的技術指標

數字接收機實現中頻數字化接收，形成數字基帶I/Q信號，完成數據高速傳輸。同時完成高精度閉環跟蹤模式下的和波束、方位差波束及仰角差波束初級合成。

數字化波形產生實現系統所要求的不同脈寬、帶寬中頻信號的產生;在寬帶工作模式下完成收發孔徑渡越時間補償;并具有雷達發射波形的脈前脈后頻率掩護和可編程等功能。

a)基于FPGA技術的數字接收機

對于數字化接收，目前廣泛采用基于軟件無線電設計思想的數字化接收機技術實現數字正交解調，用于實現解調的電路被稱為 DDC(Digital Down－Converter)，具有NCO及可編程高效數字濾波器，因此在采樣時鐘確定的情況下，可在較寬范圍內實現多種帶寬信號的解調和匹配濾波。基本實現框圖如圖4所示。

圖4 數字I/Q正交解調實現框圖

b)基于DDS技術的數字波形產生

基于DDS的相位控制和波形產生是數字收發單元的關鍵技術之一，相控陣雷達的工作方式要求雷達信號具有多種波形形式，需要改變信號的頻率、脈寬、帶寬等參數，這就要求雷達的波形形成非常靈活，而 DDS恰能滿足這一要求［4－5］。DDS的基本原理框圖如圖5所示。

圖5 DDS基本原理框圖

從理論上講DDS可以產生任意的信號波形，也就是說DDS技術可以直接對產生的信號波形參數(如頻率、相位、幅度)中的一個、二個或三個同時進行直接調制。以調頻為例，對于一個DDS系統其輸出頻率由下式給出: (1)

式中:k為頻率控制字，fclock為DDS輸入時鐘頻率，n為相位累加器的位數。

對于給定的DDS，相位累加器的位數是一個固定值，當輸入時鐘頻率設定后，其輸出頻率隨控制字k而變化。所以只要使頻率控制字k按照調制信號的規律進行改變就可實現所需要的調頻信號;同時通過相位累加器和正弦函數表之間的數字加法器，可以實現對輸出信號的精確相位控制。

由上式可知，傳統的DDS結構，其輸出頻率為工作時鐘fclock的分頻，理論上最大輸出頻率fout= fclock/2，本系統采用DDS工作時鐘頻率為400MHz，輸出以fout中心頻率帶寬為B的數字信號;其相位控制碼為14 bit，理論上移相精度可達到:(360°/ 214)≈0.02°。

在搜索模式下，因為信號帶寬窄，孔徑渡越及頻率色散現象可以忽略，因此DAM直接將陣元級數據實時傳送給信號處理系統，并由信號處理系統完成多個接收波束的形成，同時DAM接收信號處理系統發送過來的各個陣元的相位分布，實時產生發射波形，通過上變頻后輻射至空間，在空間中形成期望的發射波束。

在跟蹤模式下，當陣列天線的掃描角度較大時，存在孔徑渡越及頻率色散現象，此時信號處理系統將每一個DAM所需的數字延遲時間量傳送給DAM，并由DAM完成高精度的時間延遲以修正孔徑渡越及頻率色散現象。設中心頻率為f0，信號帶寬為B，脈沖寬度為T0，延時為t0的線性調頻信號實部表達式為:

若延時為0，則有:

若初始頻率為fi、初始相位為φi，則線性調頻信號的表達式可改寫為:

如令:

比較上面公式，可以看出通過補償初始頻率和初始相位的方法，線性調頻信號的延時可以得到精確補償。

DAM中8通道一體化數字收發模塊如圖6所示。

圖6 8通道一體化數字收發模塊圖

2 DAM性能指標測試結果

數字陣列模塊的外形尺寸為 610×160× 55mm3，重量約8.5kg。我們對DAM的各項具體指標進行了測試，單通道發射輸出脈沖峰值功率大于180W，發射脈內信噪比大于55dB，脈沖頂降小于1dB，通道接收噪聲系數小于2.0dB，接收信噪比大于55dB，通道間隔離度大于30dB，DAM效率大于30%，部分測試結果如圖7～10所示:

圖7 通道發射輸出功率測試結果

收發通道的幅相穩定性對相控陣雷達的系統性能至關重要，也是DAM設計中需要考慮的重要環節，我們采用收發自閉環的方式，對DAM的幅度和相位穩定性進行了測試。測試結果表明DAM的幅度穩定性小于0.1dB(rms)，相位穩定性小于2°(rms)。

對于大型陣列天線，隨機誤差需要用統計理論進行分析，有誤差的副瓣電平在概率上服從為Rice分布［6］，假設天線單元無方向性，且幅、相誤差的方差與波束掃描角度無關，則:

圖8 通道發射脈內信噪比測試結果

圖9 接收單通道噪聲系數測試結果

圖10 接收信噪比測試結果

假設天線效率為90%，有效單元數為1024時，由上述公式可知，DAM的0.1dB(rms)幅度穩定性，2°(rms)相位穩定性引起副瓣電平惡化小于0.01dB，引起的天線波束指向誤差很小，可忽略。

3 結 論

本文介紹了一種采用高精度數字延時補償和一次有源混頻方式的UHF波段8通道數字陣列模塊，其內部集成8個相互獨立的模擬收發通道、8通道數字接收、8通道數字波形產生，以及本振功分器、時鐘分配器、分布式電源、數據傳輸和光電轉換等部分，具有集成度高、接口簡潔、環境適應能力強、可靠性高等技術特點，在防空、反導、預警雷達等領域具有廣泛的應用前景。

［1］［美］James Tsui.寬帶數字接收機［M］.北京:電子工業出版社，2002.

［2］吳曼青.數字陣列雷達及其進展［J］.中國電子科學研究院學報，2006，1(1):11－16.

［3］吳曼青.數字陣列雷達的發展與構想［J］.雷達科學與技術，2008，6(6):401－405.

［4］Cantrell B，et al.Development of a Digital Array Radar (DAR)［J］.IEEE Aerospace and Electronic Syst ems Magazine，2002，17(3):22－27.

［5］TavikG C，Hilterbrick C L，Evins J B.The Advanced Multifunction RF Concept［J］.Transactions onMicrowave Theory and Techniques，2005，53(3):1009－1020.

［6］張光義.相控陣雷達系統［M］.北京:國防工業出版社，1994.

Design of a UHF－band 8－channel Digital Array Module

Hu Shanxiang，Wang Qiang，Gao Han，Wu Xiaobao，Zhu Wensong，Wang Bing
(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088)

A UHF－band 8－channel digital array module by using high－precision digital－delay compensation and once active mixing is introduced，in which parts like 8 independent analog transceiving channels，8－channel digital receiving，8－channel digital waveform generating and LO power dividers，clock dividers，distributed power supply，data transfer，photoelectric conversion etc.are integrated.Pulse output peak power transmitted by a single channel is greater than 180 W，SNR within pulse is more than 55 dB，pulse top drop less than 1 dB，NF of receiving less than 2.0 dB，SNR of receiving more than 55dB，inter－channel isolation more than 30 dB.The digital array module is featured with high level of integration，simple interface，stable performance，favorable environment adaptability and high reliability.It is batch applied in a long－distance warning phased array radar.

digital array module;UHF－Band;digital array radar;digital transceiver

TN957;TN958

A

1008-8652(2016)04-069-05

2016-07-18

胡善祥(1974－)，男，高級工程師。主要研究方向為相控陣雷達收發技術。