雙流機場天氣雷達接收前端國產化的設計與實現

郭方++王蔚

摘 要：為提高雙流機場天氣雷達正常運行的保障力度。經過綜合考慮和調研，西南空管局氣象中心決定對天氣雷達射頻接收前端系統進行國產數字化改造，包括限幅器-LNA組合前端、下變頻器、中頻部件等器件。射頻接收前端系統改造完成試運行后通過參數測試，在功能上已基本滿足使用要求。為雷達產品對比分析和其他器件的國產化改造工作打下了基礎，希望能對其他采用進口天氣雷達的氣象部門有一定的借鑒意義。

關鍵詞：雙流機場天氣雷達 國產數字化改造 射頻接收前端系統 對比分析

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（a）-0089-03

雙流機場天氣雷達由美國EEC公司生產，于2003年投入使用，所用接收機為模擬接收機。作為接收機重要組成部分的射頻接收前端系統是衡量接收機動態性能的關鍵部件[1]，它主要包括限幅器-LNA組合前端（限幅保護器、低噪聲放大器）、下變頻器（C波段濾波器、低噪聲放大器、混頻器和中頻濾波器）、中頻部件（線性中頻放大器、中頻濾波器、功分器和對數放大器）等，由于產接收機的范疇，因此該系統也包含了頻綜這一部分。射頻接收前端系統的總體設計如圖1所示。除頻綜以外，其他部分全部封裝在一個屏蔽盒內。電源部分對射頻接收前端系統供電，頻綜的5 660 MHz輸出通過一個腔體窄帶濾波器處理后，其頻譜更純，作為接收機的本振信號。由于頻綜工作時發熱較為嚴重，因此特別設計了一個冷卻風扇，來對頻綜進行風冷處理。這一搭配從原理和性能上均有不錯的表現，但是由于發射射頻信號為5 630 MHz，正好落在一個寬頻的其他干擾信號的頻帶內，造成接收信號的異常。為解決這一問題，將設計[2]改成在頻綜的上層，增加一個變頻電路，使發射信號偏離干擾頻帶。

1 系統信號流程

1.1 發射信號

頻綜輸出47.5 MHz、5 560 MHz和5 630 MHz 3個相參的、正弦連續波信號[3]。47.5 MHz參考信號被一個功分器一分為二，一路仍然作為數字接收機與信號處理器的參考基準輸入，另一路則作為變頻器的輸入信號。變頻器由ZMX-7GR無源混頻器擔任，將頻綜輸出的5 530 MHz信號作為混頻器的本振輸入信號；將混頻器的中頻輸出端用作信號輸入端，送入47.5 MHz信號；將混頻器的射頻輸入端用作變頻輸出端，進行混頻處理，得到混頻后的5 582.5 MHz信號和其他頻率成分。通過腔體窄帶濾波器后，5 582.5 MHz信號輸出，其他信號被濾除掉，該信號作為發射射頻信號。5 582.5 MHz的發射射頻信號，被送入射頻前置放大器（即前面提到的發射信號產生與驅動電路）中，首先被調制成具有升余弦形狀的射頻脈沖，然后被放大到具有足夠的輸出功率（≥8 W）。

速調管功率放大。該信號被輸入到速調管（這時主要增益級），進行功率放大，作為功率微波源，從天線發射出去，探測氣象數據。

1.2 接收信號

降水目標產生的回波，被天線接收以后，通過饋線送到接收前端。

為了回波信號的信噪比不至于因為同軸電纜傳輸的衰減而明顯下降，高頻放大的第一級前移到這里來。信號被放大后，傳輸衰減的影響大為減少。

濾除帶外信號，對傳輸衰減進行補償性放大后，信號在這里與本振信號一起，被混頻器混頻，生成中頻信號，經濾波后輸出，無需像模擬接收機那樣，要把中頻作為主要增益部件。在數字中頻接收機中，中頻部件要采用線性中頻放大器（對數放大器會造成頻譜的變化，影響多普勒性能），增益要求也不能太高。中頻信號在這里被放大約25 dB，扣除掉中頻濾波器、功分器以及線路衰減外，仍有18 dB左右的實際增益。從功分器分出兩路信號來，一路作為數字中頻接收機的輸入信號，另一路則被送到對數放大器中去。在對數放大器中信號被放大、檢波后，送出帶檢查接口。通過示波器可以方便地觀察對數視頻信號，用于分析和判斷接收機前端以及數字接收機的性能。

1.3 數字信號

線性中頻信號被送到數字接收機與信號處理器中，由數字中頻接收機直接將模擬中頻信號變成數字中頻信號，經過數字下變頻處理，形成復基帶信號（I/Q信號），同時可以獲得處理增益，提高信號的信噪比，并提高系統的動態范圍。

在數字信號處理器中，復基帶信號被處理成基本的物理數據，即反射率因子、平均速度和速度譜寬，這些物理量被送到計算機中，進行顯示、傳輸和存儲，已被氣象業務應用。

2 限幅器-LNA組合前端及下變頻器

限幅器-LNA組合前端包括一個無源限幅保護器（型號WLM-73-1W-S+）和一個低噪聲放大器1（型號TA053-059-22-10），置于接收放大鏈的最前端。

2.1 限幅器

限幅器WLM-73-1W-S+作為環流器和波導限幅保護器的輔助保護措施，對大功率發射的微波的泄漏進行最后一級的保護。

2.2 低噪放和下變頻器

低噪放采用高性能模塊TA053-059-22-10。下變頻的前端設有一個C波段濾波器（窄帶腔體濾波器，中心頻率5 582.5 MHz）和一個低噪聲放大器（ERA-2SM，噪聲系數4 dB，在5 582.5 MHz頻率時增益9 dB），在混頻器（ZMX-7GR）中實現下變頻（本振信號5 660 MHz@10dBm），通過中頻濾波器（SBP-70+）輸出77.5 MHz中頻信號。

2.2.1 補償性放大

由于限幅器-LNA組合輸出的線路太長（超過2 m），傳輸損耗比較嚴重。因此，前端信號送來、進行一次濾波后，需對這種衰減進行補償性放大。ERA-2SM能滿足這種較低增益的放大要求。

2.2.2 下變頻

下變頻由ZMX-7GR混頻器擔任。頻綜送來的本振信號，在圖1中表示為經過一個可調衰減器來調整輸入功率。實際調試中，采用一個極窄帶濾波器，將頻綜內的其他頻率雜散濾除掉，效果很好。濾波器的插損正好可以省掉衰減器。混頻后得到中頻信號，該77.5 MHz中頻信號經過中頻濾波器后送到下一級去。中頻濾波器采用SBP-70+模塊，其中心頻率為70 MHz，77.5 MHz中頻頻率略微偏離中心，但衰減不大，其通帶插損約為1.5 dB。

3 中頻組成部件

中頻部件[4]包括線性中頻放大器、中頻濾波器功分器和對數放大器等部分。

3.1 中頻放大器

中頻放大器與中頻濾波器組成一個通帶放大器。中頻放大器選用GVA-82+集成寬帶放大器，+5 V供電，15 dB的增益，20 dBm的1 dB壓縮點，很適合用作中放。其6 dB的噪聲系數，在中頻放大的位置，幾乎沒有影響。中頻濾波器仍采用SBP-70+模塊。

3.2 功分器

中頻功分器采用WILKINSON SPLITTER電路實現，中頻功分器的工作頻率范圍可達100 MHz，回路損耗約18 dB，插入損耗約3.3 dB，隔離度約20 dB。功分器前端也設計一個補償性放大器，采用GVA-81+集成寬帶放大器，+5 V供電，10 dB的增益，15 dBm的1 dB壓縮點。這兩部分封裝在一個屏蔽盒內。

至此，有兩路中頻輸出，一路連接到一個對數中頻放大器上，另一路連接到數字中頻接收機上。

3.3 對數中頻放大器

對數中頻放大器的目的是為了產生一個方便檢查的信號，這樣有利于對雷達整機系統性能的估測和分析。對數中頻放大器采用集成器件AD8309，做成模塊形式，由6級高低雙增益模塊組成，每個雙增益模塊最高增益12 dB。對每級模塊的輸出進行檢波，并電流疊加，再有電流-電壓轉換器以電壓的形式，輸出與輸入功率的對數成正比的電壓信號。

4 頻綜

頻綜為外購件，47.5 MHz和5 560 MHz為常態輸出的正弦連續波信號。5 630 MHz為受調制的輸出信號，屬于ASK類型。通過ASK輸入一個TTL電平的脈沖信號，可以產生射頻脈沖輸出。但是這種階躍性的調制會導致頻譜較大程度的擴散，因此，在雷達發射信號上，一般不能這樣使用。實際應用中，把ASK直接接成高電平，則5 630 MHz也變成了正弦連續波信號。

這三個信號是相參的，輸出功率均接近15 dBm。正如前述，5 560 MHz信號作為接收鏈路的本振信號，要經過一個窄帶濾波器，送到混頻器ZMX-7GR的本振輸入時，功率大約達到10 dBm。

對無源混頻器ZMX-7GR進行的理論分析和實驗表明，該混頻器的本振信號LO仍作為輸入不變，另外兩個端口可以交替使用，就是將中頻輸出IF作為輸入，而將射頻輸入RF作為輸出，則RF上差頻的分量比較強。47.5 MHz從IF輸入，5 530 MHz從LO輸入，混頻輸出得到5 582.5 MHz信號，通過腔體窄帶濾波器后，作為發射的射頻信號源。

5 結論

接收機理論指出[5]，接收機靈敏度（最小接收信號）Simin與接收機帶寬Bn及其噪聲系數F0有關：

Simin=-114dB+10·lgBn（MHz）+10lgF0

接收機帶寬表明了能通過接收機的噪聲多寡；噪聲系數F0則表明了接收機產生額外噪聲的程度。在沒有其他處理的條件下，一般超外差接收機的靈敏度為-90～110 dBm。

該系統模擬射頻前端的噪聲系數優于2 dB，最小脈寬0.8μs時，帶寬最大為1.25 MHz。此時，計算得到接收機靈敏度為-111 dBm。實際測量中，通過測量對數視頻的輸出，可以判斷，模擬射頻前端的靈敏度與計算值相當。為了準確測量，在射頻前端的限幅器-LNA組合的輸入端作為輸入，以中頻功分器輸出的中頻信號作為輸出，信號源頻率調5 582.5 MHz作為標準信號，設置不同功率電平，對輸出端的77.5 MHz中頻信號進行功率測量，得到結果如圖2所示。可見，動態范圍超過90 dB，靈敏度優于-110 dBm，線性度優于±0.5 dB。在數字中頻接收機中，由于數字下變頻的處理增益和數字視頻積分的累積增益（總共不會少于15 dB），最終結果原則上遠遠優于模擬前端的性能，沒有變得更差的理由。

參考文獻

[1] 丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002：89-213.

[2] 李潤旗.微波電路CAD軟件應用技術[M].北京：國防工業出版社，2006：29-48.

[3] 向敬成，張明友.雷達系統[M].成都：電子科技大學出版社，1997：113-176.

[4] 張玉興.射頻模擬電路[M].北京：電子工業出版社，2002：35-80.

[5] 戈穩.雷達接收機技術[M].北京：電子工業出版社，2005：51-136.