基于3.0GHz頻率的S波段船用導航雷達系統研究及實現

馬天明

武漢理工大學航運學院，湖北武漢430063

基于3.0GHz頻率的S波段船用導航雷達系統研究及實現

馬天明

武漢理工大學航運學院，湖北武漢430063

針對目前國內民用船用雷達導航系統價格高這一問題，設計了一套基于3.0GHz頻率的S波段船用導航雷達系統。在分析了測距原理和距離模糊問題的基礎上，確定采用多重脈沖重復頻率測距算法進行目標的測距，同時給出了雷達方程的計算公式。然后對雷達系統的發送機和接收機的設計指標進行了分析，提出了系統的具體設計指標。最后給出雷達系統中的頻率源、低噪聲放大器及混頻器的實現方法并對其進行了仿真，仿真結果表明設計的基于3.0 GHz頻率的S波段船用導航雷達系統的指標很好的滿足了設計要求。

3.0GHz；船用雷達；指標

隨著我國經濟的快速發展，航運船只數量也大幅度增加。雷達導航系統在觀測海上船只、海岸、浮標和導航方面起著重大作用，對保障船舶航運的安全具有重要意義。但目前國內船只的導航系統基本都采用可靠性高、價格低的日本產品，民用船用導航雷達系統無法自主研發，將直接對我國船舶工業的基礎穩固產生影響。在雨霧環境中，S波段海面反射小、衰減低［1-3］，特別適用于惡劣天氣下的目標探測。因此，必須進行S波段民用船用導航雷達系統的研制，這對我國航運事業的發展具有舉足輕重的意義。

1　測距原理與雷達方程計算

1.1測距原理

如果可以精確地的測出電磁波發射時刻至點從波從目標反射回來時刻的時間間隔［4］，那么就能夠得出目標和雷達間的準確距離。設電磁波從發射至返回所經歷的時間長度為t，傳播速度為光速C，待測目標與雷達距離為R，則距離R如式1所示：

由于待測目標回波的延遲時間通常會比脈沖重復周期長，從而導致收、發脈沖的對應關系產生混亂，進而使同一待測目標的距離讀數產生多種可能，所以需要在信號接收時通過運算消除模糊。本文所設計的民用船用雷達導航系統要求測距不模糊距離R大小為10 km，而且在海雜波附近對目標的檢測能力強、精度高。為此使用多重脈沖重復頻率測距法，在不模糊距離R大小為10 km、脈沖寬度τ大小為250 ns、占空比為10%的條件下，目標與雷達的距離如式2所示：

式中，f1和f2表示雷達系統的發射頻率，t1表示雷達系統電磁波的發射時刻，t2表示雷達系統電磁波的接收時刻，C表示電磁波傳播速度。

1.2雷達方程

雷達方程是依據雷達參數、目標特性、傳播路徑和所要求的測量性能來計算雷達在各種工作模式下的最大測量距離的方程式。目前使用較多的是一次雷達方程，在考慮了目標的截面積、最小可檢測信號和系統損耗的基礎上，給出了系統采用的雷達方程。

1.2.1雷達方程根據相關文獻可知［5，6］，雷達的最大測量距離Rmax與雷達參數和目標特性間的關系如公式3所示：

式中，Pt表示雷達的發射功率，G表示雷達的天線增益，σ表示待測目標的散射截面積，λ表示雷達電磁波的波長，Simin表示雷達系統的最小可檢測信號，A表示雷達接收天線的有效接收面積。在左式中，雷達最大測量距離Rmax與λ1/2為反比關系，而右式中，Rmax卻與λ1/2為正比關系。這是因為在天線面積不變、波長λ增加時雷達天線的增益下降，使雷達的作用距離減小；而當天線增益保持不變的情況下，波長加長時又要求天線的有效面積增加，而其又導致作用距離加大。式3雖然給出了雷達作用距離與各參數的定量關系，但在雷達的實際工作環境中，還有兩個無法準確確定的量：目標有效反射面積σ和最小可檢測信號Simin，因此通常是將它作為一個估算公式，對雷達各參數對作用距離的影響進行考察。

1.2.2目標的雷達截面積雷達是通過目標對雷達波的二次散射功率來發現目標的，故目標的雷達截面積如公式4所示：

式4表達的意思為：平面波照射條件下，接收機處每單位立體角內得到的反射功率再乘4π就是待測目標處每單位的入射功率密度。

1.2.3系統損耗在雷達系統目標偵測的過程中，會有射頻傳輸損耗、天線波束形狀損失、疊加損失、設備不完善損失及其它損失［7，8］。將各種損失引入公式3，可以得到實際情況下雷達的最大作用距離，具體如公式5所示：

式中，τ表示接收機噪聲帶寬的倒數，Gt，Gr表示天線增益，Fn表示接收機噪聲系數，D0表示檢測因子，CB表示帶寬校正因子，L表示雷達各部分的損失系數。在估算目標距離時，射機功率、天線增益、工作波長、接收機噪聲系數以及接收機噪聲帶寬均為已知；而目標散射截面積能夠依據待測目標來確定，首先在雷達方程中采用其平均值代入，然后計算它的起伏損失；CB和損失L能夠依據雷達設備的具體情況查表或估算得出；檢測因子的值與檢測質量、目標起伏特性以及積累脈沖數及積累方式因素有關，能夠依據具體的檢測條件計算得出。將上述這些因素考慮在內，按公式5的雷達方程就能夠估算出自由空間內雷達的最大作用距離。

1.2.4方程計算以式5為雷達方程，取玻爾茲曼常數k=1.3806505*10-23J/K，T0=300 K，Fn=5 dB，D0=20 dB，CB=1，L=15 dB，Gt=Gr=20 dB，σ=30 dB，λ=0.1m。然后分別對常用的雷達脈沖寬度80 ns，250 ns和900 ns進行計算，發射功率Pt與雷達最大作用距離的計算結果如圖1～3所示：

圖1　τ=80ns時量程與發射功率的關系Fig.1The relation between Rmaxand Ptwhenτ=80ns

圖2　τ=250ns時量程與發射功率的關系Fig.2The relation between Rmaxand Ptwhenτ=250ns

圖3　τ=900ns時量程與發射功率的關系Fig.3The relation between Rmaxand Ptwhenτ=900ns

從圖1～3中可以看出，在τ=80 ns時，量程為10 km時雷達的發射功率約為100W左右；在τ=250 ns時，量程為10 km時要求雷達的發射功率約為32W左右；在τ=900 ns時，在發射功率約為2500W時，雷達的量程能夠達到40 km以上。綜合考慮到雷達總體指標與成本，選取τ=250 ns，Pt=32W作為本文所設計雷達系統的脈沖寬度和發射功率。

為了計算接收機的接收功率，取Pt=32W，σ=30 dB，λ=0.1m。計算得出雷達系統在最大作用距離Rmax=10 km時，接收機的接收功率Pr=-98 dBm。由于解調器通常采用二極管，所以二極管的必要輸入功率一般為0 dBm（約為1mW），故通過輸送給二極管的功率和接收機輸入端口的最小功率就能夠計算出接收機各級的增益值大小。

2　雷達系統指標設計

2.1發射機指標設計

綜合民用船用雷達系統的總體指標、雷達方程和測距方法，提出雷達發射機的設計指標（表1）。

表1　發射機鏈路指標Table 1 Indexes of transm itter circuit

發射機系統鏈路框圖如圖4所示：

圖4　發射機系統框圖Fig.4 The transm itter system

2.2接收機指標設計

綜合民用船用雷達系統的總體指標、雷達方程和測距方法，提出雷達發射機的設計指標（表2）。

表2　接收機鏈路指標Table 2 Indexesof receiver circuit

接收機系統鏈路框圖如圖5所示：

圖5　接收機系統框圖Fig.5Receiver system

3　關鍵模塊實現及仿真

3.1頻率源的設計

本文采用微波鎖相頻率源，鎖相器為ADF4153分數N分頻鎖相器，該芯片的工作頻率高，可以通過高頻系統的倍頻裝置使頻率源系統結構簡化，進而降低設備成本和功耗。該芯片的射頻頻率高達4GHz，最大鑒相頻率為32MHz，相位噪聲基底能夠達到-214 dBc/Hz；而且該芯片具有3線串行接口，能夠通過外接單片機進行控制；參考晶振頻率選取10MHz，環路帶寬選擇200 kHz、相位裕量選擇450、則輸出頻率的中心頻率為3GHz、鑒相頻率為20MHz、電荷泵的增益為5mA，壓控振蕩器靈敏度選擇90MHz/V。

3.2限幅器的設計

根據民用船用雷達系統的需求，要求限幅器具有1000W以上的抗燒毀功率，因此第一級限幅二極管的脈沖抗燒毀功率必須大于1000W。根據此要求，最終決定采用MA-COM公司的MA4L401為雷達系統限幅器的第一級限幅二極管，其為臺式封裝結構，適用頻率可高達9GHz，理論上能夠承受2000W的脈沖功率沖擊。

3.3低噪聲放大器的設計

3.3.1放大管的選擇放大管使用近年來應用廣泛的場效應晶體管，通過比較最終采用最終選擇了Aglient公司的ATF-54143型號場效應晶體管。在3GHz處，采用3V，60mA偏置時，匹配良好的直流偏置電路理論上能夠達到的最佳性能的噪聲系數大小為0.6 dB、增益大小為14.5 dB、輸出1 dB的壓縮點大小為20.5 dBm，能夠滿足民用船用雷達系統的使用需求。

3.3.2穩定性分析采用ADS仿真軟件對管子的穩定性進行分析，若K＞1則表示管子絕對穩定。本文所設計的低噪聲放大器穩定性系數K，在2.5～3.5GHz的頻段范圍內，K均大于1，因此無需再進行管子的穩定性設計。

3.3.3匹配電路的設計考慮到噪聲、增益、電路體積等，最終選用性能優良、結構簡單且調試方便的L型匹配結構。對于各級間的匹配，通過一個電容與電阻的并聯RC低通網絡來實現阻抗變換，同時降低增益滾降，進而增加工作頻段的低端穩定性。將理想微帶線轉換成實際使用的帶有物理長度的微帶線。表3為匹配微帶線的電長度對應的相移量和計算的物理長度，全部微帶線的特征阻抗大小均為50Ω。

表3　匹配微帶線的電長度和物理長度對應關系Table 3 The corresponding relation between electric and physical lengthsmatchingm icro-strip line

3.3.4低噪聲放大器的仿真對設計的低噪聲放大器進行穩定性、最大增益及噪聲系數等參數的仿真，仿真結果如下：在3GHz處，最大增益為約為17.578 dB，噪聲系數約為0.8 dB，放大器的輸入、輸出反射系數均在-15 dB以內，并且整個電路的穩定性較高，很好的滿足了雷達系統的設計指標。

本節設計的低噪聲放大器工作頻率為2.5～3.5GHz，在工作頻帶范圍內達到了增益G＞15 dB，噪聲系數NF＜1.0 dB，輸入輸出駐波比小于1.5，很好的完成了雷達系統的設計指標。

3.4混頻器的設計

3.4.1分支橋定向耦合器設計本文設計的分支橋定向耦合器，在3GHz工作頻率時，S11曲線與S12曲線的值均在-35 dB以下，這就說明耦合器的端口隔離度和端口反射系數都能夠達到要求。1端口到4端口、1端口到3端口有3 dB左右的信號衰減，但仍然滿足雷達系統的設計要求。

3.4.2混頻器總電路特性仿真

3.4.2.1濾波器的功能仿真雷達系統的射頻信號頻率為3.0GHz，本振信號頻率為2.94GHz，因此中頻信號的頻率應為60MHz，仿真結果如圖6所示，從圖中可以輸出信號的頻譜中含有該頻率成分，功率值大小約為-43 dBm，這就說明混頻器功能正常。

圖6　混頻器輸出特性Fig.6Output characteristicsofm ixer

圖7　混頻器的輸入駐波比Fig.7 Input standing-wave ration ofm ixer

3.4.2.2本振功率的選擇混頻器的本振功率大小對混頻器的性能有非常大的影響。對本振功率進行掃描，掃描范圍定位0～15 dBm。掃描結果顯示：當本振功率大小為12 dBm時，輸出信號中的中頻信號功率達到峰值，峰值大小為-43 dBm，變頻損耗大小為3 dB。

3.4.2.3混頻器的輸入駐波比仿真從圖7中能夠看出，當雷達的工作頻率為3GHz時，混頻器的輸入駐波比大小為1.089。

本節設計的混頻器，其射頻頻率大小為3.0GHz，本振頻率大小為2.94GHz，射頻端口至本振端口的隔離度高于35 dB，且本振端口至中頻端口的隔離度也高于35 dB。當射頻輸入功率大小為-40 dBm、本振功率大小為12 dBm時，輸入駐波比為1.089，混頻損耗為3 dB，很好的滿足了雷達系統對混頻器的要求。

4　總結

目前我國民用船用導航雷達系統多為日本產品、價格較高。因此如何實現高性能、低成本的國產導航雷達是一項非常重要的工作。本文在對測距原理和雷達方程進行分析的基礎上，完成了一套基于3.0GHz頻率的S波段船用導航雷達系統的初步方案設計，確定采用多重脈沖重復頻率測距算法進行目標的測距，同時給出了雷達發射機、接收機的主要功能模塊的實現方案。但本文設計的雷達系統的初步方案都是在比較理想的情況下獲得的，實際工作中往往難以達到，而且雷達通常工作在較為復雜的環境中，所以在后續的工作中，接收機、發射機的性能等指標都應留有一定的余量。

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Research and Implementation of S Band Marine Navigation Radar System Based on 3.0 GHz Frequency

MA Tian-m ing
SchoolofNavigation/Wuhan University ofTechnology，Wuhan 430063，China

Aim ing at the problem of the high price of domestic civil marine radar navigation system，a S band marine navigation radar system based on 3.0 GHz frequency was designed.Based on the analysis of the principle of distance and distance ambiguity，themethod ofmultiple pulse repetition frequency ranging algorithm was used to carry out the target distancemeasurementand the calculation formula of the radar equation was given.Then the design index of the transm itter and the receiver of radar system was analyzed and put forward the specific design index system.Finally，radar system w ith the frequency source，low noise amplifier and mixer was realized and simulated.The simulation results showed that the design based on 3.0GHz frequency S-band ship in navigation radar system indicatorswellmetw ith the design requirements.

3.0GHz frequency；marine radar；index

TN202

A

1000-2324（2016）04-0548-05

2016-01-12

2016-03-28

馬天明（1995-），男，山東龍口人，本科，主要研究方向為風景園林規劃設計、建筑設計.E-mail：mtm950501@126.com