車載雷達多通道一體化數字接收機設計

商林峰，李　健，裴　英，蔡曉波

(南京電子技術研究所,　南京 210039)

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·收/發技術·

車載雷達多通道一體化數字接收機設計

商林峰，李健，裴英，蔡曉波

(南京電子技術研究所,南京 210039)

數字接收機是數字陣雷達系統的核心模塊之一，其性能指標影響整部雷達的目標探測性能。文中介紹一種運用于高機動車載雷達平臺的多通道一體化數字接收機，其采用一種全新的小型化、模塊化、高度集成化的設計方案。一體化接收機采用收發全數字集成化設計，收發信號形式和波形設計非常靈活；對外接口簡單，體積小、質量輕、集成度高，電磁兼容性好，并具備在強振動沖擊條件下持續工作的能力。

數字接收機；車載雷達；多通道；一體化

0　引　言

相比固定站雷達，車載平臺的搜索雷達具備更好的機動性和靈活性，在保持對空中目標探測能力的同時，可有效地避免敵方的精確打擊。現代戰爭對機動作戰需求越來越高，車載雷達也成為軍用雷達技術發展的一個重要方向[1]。

機動作戰需要車載雷達能夠行進間作戰，這給雷達系統帶來了很多前所未有的困難：(1)高機動車載系統受平臺影響，必然要求體積小、質量輕、集成度高、設備量少；(2)由于平臺具備高機動性能，設備外部使用環境復雜，高低溫差大，沖擊振動極為劇烈，需滿足苛刻的使用條件；(3)車載系統空間小，電子設備多，需做到完備的電磁兼容性以避免相互之間的干擾；(4)車體姿態的不斷變化，需具備對雷達參數實時修正的能力，以確保目標跟蹤效果；(5)全自動BIT檢測，快速定位故障，在車載小空間內具備快速便捷的維修更換手段。當這些困難集中到一起后，問題將變得很棘手，影響最大的莫過于具備高靈敏度的雷達接收機。

一部車載雷達，其接收機性能的好壞基本上決定了整部雷達的目標探測性能，本文將介紹一種運用于高機動車載平臺的多通道一體化數字接收機。其采用收發全數字集成化設計，收發信號形式和波形設計非常靈活；對外接口簡單，體積小、質量輕、集成度高，電磁兼容性好，并具備在強振動沖擊條件下持續工作的能力。

1　設計原理

由于多通道一體化數字接收機工作在S波段，按照低通采樣定理的要求，模數轉換(ADC)的采樣頻率要大于被采樣信號頻率的2倍，如果直接在射頻按此要求進行采樣，現有器件根本無法滿足其要求，而帶通采樣技術正好解決了這個問題。

假設模擬帶通信號x(t)，其頻帶限制在(fL，fH)范圍內，如果采樣頻率fS滿足

2fL/(M-1)≥fS≥2fH/M(M為正整數)

(1)

則用fS進行等間隔采樣所得到的信號采樣值可完全代表原帶通信號x(t)，通過一帶通濾波器即可重新恢復原帶通信號[2]。

對于接收機獲得的信號，需要提取的不僅有幅度信息，還要有相位信息，正交鑒相正是同時獲取二者的有效方法[3]。目前正交鑒相技術采用較多的是數字正交鑒相技術，可實現較高的IQ精度和穩定度。圖1給出了常用的數字下變頻原理框圖，數字下變頻主要由數字振蕩器(NCO)、數字乘法器、積分梳狀濾波器(CIC濾波器)以及有限沖擊響應濾波器(FIR濾波器)組成[4]。

圖1　數字下變頻原理框圖

現代雷達不僅需要截獲和跟蹤目標，還要對目標進行識別、分辨以及成像，需要的波形復雜多樣，采用直接數字頻率合成技術(DDS)可靈活實現各種波形。

DDS是基于波形存儲概念的頻率合成技術，主要構成如圖2所示，它由四大基本部分構成：相位累加器、相位/幅度轉換器(波形存儲器)、數模變換器以及低通濾波器[2]。改變頻率控制字的大小，就改變了在采樣間隔內輸出至波形存儲器中的相位增量的大小，從而達到了改變合成信號頻率的目的。

圖2　直接數字頻率合成內部原理框圖

2　關鍵技術

常規的車載雷達數字接收機一般采用插箱式，插箱里包含電源、頻率源、波形產生、通道組合等多個模塊，模塊間通過背板走線及射頻電纜實現互聯。插箱模塊眾多，體積龐大，質量較大，且需獨立的冷卻風機設備。現代的車載系統對機動作戰要求越來越高，為了裝配方便和使用靈活，對系統小型化設計要求越來越高，需要雷達做到設備量少、體積小、質量輕，很明顯插箱式的數字接收機在體積、質量等方面很難加以控制。

為了適應車載雷達的新需求，本文提出了一種適用于車載平臺的多通道一體化數字接收機，采用了一種全新的小型化、模塊化、高度集成化的一體化設計方案，將常規的插箱式接收機模塊全部布局在一塊印制板上，印制板集成了16路全數字收發通道、頻率源、定時器和接收控制等。接收機除外部接口外沒有任何電纜連接，真正實現了系統的一體化設計。

多通道一體化數字接收機置于雷達天線陣面后密閉的高頻盒體內，高頻盒體連同天線陣面可以在方位上轉動。高頻盒體有嚴格的體積、質量和美觀要求，工作環境惡劣，無傳統的風、液冷等散熱條件，且會受到車輛行進中的振動、沖擊、加速度與噪音等影響。因此，多通道一體化數字接收機不僅需要考慮小型化、模塊化設計，還需要考慮環境適應性以及電磁兼容性設計。

2.1小型化、模塊化設計

多通道一體化數字接收機安裝在天線陣面后密閉的高頻盒體內，高頻盒體有嚴格的體積、質量和美觀要求。因此，接收設備需要體積小。為滿足雷達系統整機的需求，接收機設計必須小型化、輕型化，且需實現多路高速數模電路的集成化、模塊化。

運用多層介質板設計技術與三維電磁場仿真優化設計技術進行高速數模混合多通道電路的研制，經過多輪的理論分析和試驗驗證，充分利用多層板內層實現射頻信號和控制信號的傳輸，替代傳統的多個電路模塊間大量線纜互連方式，解決了射頻信號間、數模信號間的串擾問題等一系列電磁兼容的關鍵技術，實現了多路高速數模電路的一體化、模塊化、小型化。

采用多層介質板設計技術，多通道一體化數字接收機布局在一塊印制板上，接收機除外部接口外沒有任何電纜連接，真正實現了接收系統小型化、模塊化設計。印制板集成了16路全數字收發通道、頻率源、定時和接收控制等，不僅是數字模擬混合設計，且是多個分系統的集成。

2.2環境適應性設計

多通道一體化數字接收機安裝在天線陣面高頻盒體內，高頻盒體連同天線陣面可以在方位上轉動。高頻盒體內工作環境惡劣，無傳統的風、液冷條件，加上車輛行進中的振動與沖擊、加速度等，因此接收設備只有緊貼高頻盒體進行自然散熱。為滿足雷達系統整機的特別需求，接收機必須充分考慮減震及良好的散熱等措施，以適應雷達惡劣的工作環境。

接收機需緊貼高頻盒進行自然散熱，因此散熱需要考慮印制板的熱設計，印制板由于損耗產生的熱量主要通過底面殼體帶走。其熱量轉移關系可用下式表示

H= -k×A×ΔT/L

(2)

式中：H為熱流；k為導熱系數；A為界面的面積；ΔT為溫差；L為傳熱途徑的長度(即印制板厚度)。因此，根據需要傳輸的熱功率，合理選擇印制板基材(線條寬度、熱導率)，是實現微波印制板熱設計的要點。

印制板內元器件由于損耗功率不同，散發熱量不同，設計時需把損耗功率大的元器件布局在不同方位，使得整個印制板熱量比較均勻，容易耗散。為了更好地傳導熱量，散熱多的元器件需加導熱襯墊與接收機安裝殼緊密接觸，通過殼體將熱量散發出去。接收機采用螺釘直接固定于高頻盒體上，之間采用導熱襯墊緊密接觸，從而保證接收機與高頻盒體良好接觸，減小接觸熱阻，便于熱量散發。

接收機性能指標中最易受震動惡化的是相位噪聲，為保證接收機震動環境條件下的性能指標，我們特別采用高質量的恒溫晶振，并對晶振采取了減震措施。

2.3電磁兼容性設計

多通道一體化數字接收機將射頻高功率、射頻小信號、數字、控制、電源等多個單元電路集中于一塊電路板上，且需完成收、發、控制、變頻、DDS、數字下變頻(DDC)等眾多功能，大小信號之間、高低頻信號之間、數字信號與模擬信號之間、信號與電源之間極易產生相互干擾；并且雷達系統本身也會受到其他部件的干擾或干擾其他部件。因此，必須充分考慮電磁兼容問題。

多通道一體化數字接收機，設計采用嚴格的電磁屏蔽措施，對接收機采用金屬外殼及內部分腔作為隔離屏蔽。為減小發射信號的輻射及空間信號對接收通道的影響，數字接收機與外部的射頻接口均采用同軸電纜連接。印制板元器件的布局按不兼容分割，并按電源電壓、數字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進行分組。各個功能單元對電源進行二次穩壓，減小由電源引起的串擾。多層印制板射頻走線采用共面波導的形式，減小射頻信號的空間輻射。

3　一體化接收機硬件實現

多通道一體化數字接收機工作于S波段，根據恒溫晶振提供的時鐘產生需要的本振、各種時鐘信號；接收S波段雷達天線16路回波信號，完成回波信號的放大、濾波、下變頻、A/D采樣、數字下變頻、數據打包后送陣面數字波束形成(DBF)系統；DDS產生雷達所需的各種工作信號，經上變頻、放大、濾波為雷達發射機提供符合要求的全數字激勵信號；接收雷達控制指令，并據此產生雷達系統所需的各種定時信號；并且具備機內測試(BITE)系統檢查功能、多通道收發一致性的校準功能。

多通道數字接收機集成了16路全數字收發通道、頻率源、定時和接收控制等，其原理框圖如圖3所示。其中，兩個通道作為內監測通道，用于發射校準和接收校準。內監測通道設有模擬信號源，為接收機的檢測及整個雷達的檢測與調試提供了條件，它通過接收機前端定向耦合器輸入到數字接收機的各個通道,此信號也可作為接收通道的故障監測信號。

圖3　多通道數字接收機原理框圖

3.1接收通道設計

接收通道可分為模擬通道和中頻數字正交兩部分。回波信號首先經T/R切換開關送到模擬通道，混頻產生適合AD采樣的中頻信號；然后，中頻數字正交部分完成AD采樣、數字下變頻；最后，由現場可編程門陣列(FPGA)完成16路接收通道的A/D數據、定時及BITE打包后送DBF系統。

接收模擬通道完成一次變頻，將射頻信號下變頻為適合AD采樣的中頻信號。該通道由濾波器、放大器、數控衰減器、混頻器等組成，原理框圖如圖4所示。

圖4　接收通道原理框圖

中頻數字正交部分首先由AD進行中頻信號采樣；然后，在FPGA內部通過NCO、CIC濾波、FIR濾波完成各通道的數字下變頻，產生IQ數據。由于數據截取時采用了截位，產生的IQ數據分析會帶有零漂，采用抑制零漂模塊減小零漂對結果的影響。

3.2激勵通道設計

現代雷達不僅需要截獲和跟蹤目標，還要對目標進行識別、分辨以及成像，需要的波形復雜多樣，采用直接數字頻率合成技術可靈活實現各種波形。

多通道一體化數字接收機由DDS在中頻域產生雷達所需的各種信號形式，然后通過一次上變頻、濾波和放大等，產生雷達發射機所需的激勵信號，激勵通道原理框圖如圖5所示。圖5中，DDS可根據移相碼進行靈活精密的移相功能。

圖5　激勵通道原理框圖

3.3頻率源設計

數字接收機的頻率源屬于直接數字頻率合成式。頻率源由標頻產生與頻率合成兩部分組成。

標頻產生以恒溫晶體振蕩器輸出為基準信號，通過倍頻、放大、濾波、功分等產生接收機需要的各種時鐘信號，原理框圖如圖6所示。需產生的時鐘信號主要有AD采樣時鐘、激勵通道DDS輸入時鐘以及頻率合成DDS輸入時鐘。

圖6　標頻產生原理框圖

頻率合成通過DDS、上變頻、濾波等產生需要的多頻點本振信號，原理框圖如圖7所示。該信號頻率受頻率控制碼控制，不同的時間只輸出對應的一個本振信號，頻選的頻點經功放放大后作為雷達的本振信號。

圖7　頻率合成原理框圖

4　測試結果

基于全新的小型化、高度集成化和自然散熱等一體化設計思路，本文研制了適用于車載雷達的多通道數字接收機。接收機體積小，其外形尺寸如圖8所示。印制板置于殼體中，完成全數字收發、頻率源、定時及控制等功能，集成度高。下面從噪聲系數、多通道幅相一致性以及通道隔離度等方面對接收機性能進行測試。由于實際上16個通道只采用了12個通道作為正常工作通道，下面測試均基于12通道進行測試。

圖8　接收機外形尺寸圖

噪聲系數是確定雷達接收機性能好壞的主要指標之一。目前噪聲系數主要是使用現成的噪聲系數測試儀進行測量。但對于本文的多通道一體化數字接收機，為了設計的方便，并未留中頻信號測試口，因此本文采用數字正交的方法測試噪聲系數[5]，此方法測試包含ADC的量化噪聲，測試結果如圖9所示。圖中橫坐標為系統工作的30個頻點，縱坐標為測出的噪聲系數，各個通道所有頻點的噪聲系數均小于15dB，滿足系統需求。

圖9　12通道噪聲系數測試結果

對于多通道一體化接收機，各通道間的幅相一致性至關重要。測試時使用功分器給各通道輸入相同射頻信號，在數字域記錄各通道的IQ值，以通道1為參考通道，分析其他通道相對于通道1的幅度和相位相對值。

圖10給出了12通道幅度一致性測試的結果，測試是基于同一頻點下測量得到的。從圖中可看出，幅度相差最大的兩個通道相對比值為1.1/0.89=1.23，對應的dB值為1.8dB，滿足系統需求。

圖10　12通道幅度一致性測量結果

12通道相位一致性測量結果如圖11所示，圖中各通道相對通道1的相位基本為一固定值。對圖11結果進行修正，各通道與通道1相對相位減去固定相位差值，得到的結果如圖12所示。從圖12可看出，通道間相位一致性在±0.1°之間，可見多通道接收機具有很好的相位一致性。

圖11　12通道相位一致性測量結果

圖12　修正后12通道相位一致性測量結果

多通道數字接收機在單板上集成了16通道，通道間的互相干擾不可忽視，影響通道間隔離度的因素主要有兩個：信號的空間耦合；信號通過混頻器耦合至本振，再由本振功分器耦合至其他通道本振,混頻后中頻輸出。在本接收機一體化的設計中，各路接收機在物理上不可能分開，信號的空間耦合采用蓋板上特別設計的分隔條形成各個內部腔體進行分隔。同時，射頻線印制布板時采用共面波導設計，盡量把耦合減到最小。

通道間隔離度測試有兩種：一是在其中一個通道注入測試信號，測試其他通道與注入信號通道幅度差；二是將所有通道通過功分器注入同一信號，然后將被測通道的注入信號取消，測試被測通道與其他通道的幅度差。本文采用方法二，任意選取3個頻點進行測試，得到如圖13所示的結果。從圖中可看出，通道隔離度要好于50dB，滿足系統指標需求。

圖13　通道隔離度測試結果

5　結束語

本文研究并設計了一種適用于車載雷達的多通道一體化數字接收機。接收機采用了全新的小型化、高度集成化和自然散熱等一體化設計，一塊印制板集成了16路全數字收發通道、頻率源、定時以及接收控制，滿足系統嚴格的體積、質量和美觀要求。經過測試，噪聲系數、多通道幅相一致性以及通道隔離度等都達到較好的指標，滿足系統的指標需求。

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商林峰男，1986年生，博士，工程師。研究方向為雷達接收技術。

李健男，1987年生，碩士。研究方向為雷達接收技術。

裴英女，1965年生，研究員級高級工程師。研究方向為雷達接收技術。

蔡曉波男，1980年生，高級工程師。研究方向為雷達接收技術。

Design of Multi-channel Integrated Digital ReceiverforVehicle-borneRadar

SHANG Linfeng，LI Jian，PEI Ying，CAI Xiaobo

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nangjing 210039, China)

Theperformanceofdigitalreceiver,oneofthecoremodulesindigitalarrayradar,influencesthetargetdetectionperformanceofthewholeradar.Inthispaper,amulti-channelintegrateddigitalreceiverdesignedforhigh-maneuvervehiclesystemispresented,inwhichanewdesignwithminiaturization,modularizationandintegrationisemployed.Thedigitizationinbothreceiverandtransmitterisadoptedintheintegratedreceiver,whichmakesthesignalformandwaveformdesignflexible.Withtheadvantagesofsimplestructure,smallvolume,lightweight,highintegrationandgoodelectromagneticcompatibility,theintegratedreceivercankeepworkingunderthestronglyvibrationalconditions.

digitalreceiver;vehicle-borneradar;multi-channel;integration

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.08.017

商林峰Email：shanglf1986@126.com

2016-04-15

2016-06-23

TN851

A

1004-7859(2016)08-0075-05