反無人機射頻前端設計

石伯翔

（西安電子工程研究所，陜西西安，710010）

引言

無人機技術的日漸成熟，其應用領域也愈發(fā)廣泛，與此同時帶來了嚴重的安防問題。雷達探測由于不受環(huán)境、天氣變化影響等優(yōu)點，是無人機探測的一種主要手段。但由于無人機飛行高度低、速度慢、目標小，對雷達系統(tǒng)構成了與傳統(tǒng)雷達要解決問題的巨大差異[1]，同時由于無人機對于探測雷達大多數(shù)情況下處于近距離工作，無人機的任意方向移動能力，形成了目標弧度角的快速變化，對雷達波束的快速跟蹤又構成成了較大的挑戰(zhàn)。對于無人機這種“低、小、慢”的探測，波束要求兼具長的駐留時間和指向快速變化的能力。常見的波束掃描方式有機械掃描和相控掃描，機械掃描成本低，但波束掃描速度慢；相控掃可以實現(xiàn)波束的快速掃描，但是成本高[2]。針對這兩種波束掃描方式的特點，本文提出了一種低成本的全電控陣列前端方案，該方案具備波束快速掃描的能力，同時也具備低成本的特點。

1 射頻前端總體方案

無人機探測系統(tǒng)具有主動探測和被動探測兩種工作模式。在被動接收探測模式下，無人機探測系統(tǒng)主要接收無人機的遙控信號，通過對無人機發(fā)出信號的探測，確定無人的位置。在被動探測狀態(tài)，系統(tǒng)需要方位維360°同時接收信號的能力以及俯仰維波束的能力。在主動探測模式下，系統(tǒng)工作原理與常規(guī)雷達相同。主動工作模式主要應對夜間、大霧、以及被動探測失效的狀態(tài)。

該射頻前端為無人機探測雷達系統(tǒng)提供信號輸入。全電控陣列射頻前端系統(tǒng)構成如圖 1所示。該系統(tǒng)天線采用收發(fā)分置方式，整個射頻前端由共形陣列天線、俯仰維模擬多波束網(wǎng)絡、下變頻接收模塊、校準網(wǎng)絡、發(fā)射天線和北斗天線構成。

在被動探接收探測模式下，接收天線陣列在俯仰維形成覆蓋探測空域的波束，在方位維，通過多通道下變頻模塊為方位為實現(xiàn)數(shù)字DBF功能提供多路中頻輸出。俯仰維波束選擇通過射頻開關控制實現(xiàn)，方位維波束由數(shù)字波束形成產(chǎn)生，從而形成一個可高速波束切換的全電控射頻前端。在主動探測模式下，系統(tǒng)工作原理與常規(guī)雷達相同，此時需要發(fā)射天線向外發(fā)射信號，通過接收目標的回波信號完成探測定位功能，發(fā)射天線采用了低成本的套筒形式單極子天線，發(fā)射天為全向型天線。全向的發(fā)射天線與方位維的DBF接收體系相結合，實現(xiàn)方位 360°的全覆蓋。同時，該射頻前端還集成了北斗定位天線，為系統(tǒng)提供北斗定位信號。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 天線單元

2.1 發(fā)射天線單元

在主動探測模式下，該系統(tǒng)向外發(fā)射信號，通過接收目標的回波信號完成對目標的探測定位。系統(tǒng)采用套筒式單極子天線作為發(fā)射天線[3]，其具有以下優(yōu)勢：1、單極子子天線是典型的全向天線，具有良好的輻射特性，結構簡單，重量輕，成本低；2、相比于機械掃描天線和相控陣天線，其在形成全向波束的同時，無需伺服系統(tǒng)和饋電網(wǎng)絡，從而可以達到簡化系統(tǒng)結構、降低成本的目的。

2.2 北斗天線單元

為了完成對無人機的定位，本系統(tǒng)需要對自身進行定位。北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用“無源工作方式”，用戶只需要接收衛(wèi)星信號便可完成導航定位。該系統(tǒng)工作于L波段并可兼容GPS和Galileo等系統(tǒng)[4]。該方案采用北斗天線作為系統(tǒng)定位天線，北斗天線工作頻段BD2 B1/GPS L1,極化方式右旋圓極化。

3 接收天線陣列

由本系統(tǒng)要求的波束覆蓋范圍較大，傳統(tǒng)平面陣不能滿足需求。共形陣[5]在一定程度上可以克服平面陣的缺點，由于陣列在結構上具有與載體共形這一特點，導致波束掃描角比平面陣大，這是本系統(tǒng)采用共形陣列的一個主要原因。本系統(tǒng)采用錐臺結構，方位維通過控制電路（開關矩陣或者數(shù)字波束形成）可以完成360°波束掃描；由于錐臺陣存在一定的傾角，故俯仰維有更大的掃描范圍。

該系統(tǒng)接收天線單元采用圓極化微帶天線[6]。原因有以下兩點，第一，微帶天線具有低剖面、體積小、重量輕等特點，適合作為共形陣天線單元；第二，無人機探測雷達兼顧主被動探測模式，在被動探測情況下，由于不明確被探測目標發(fā)射電磁波的極化形式，采用圓極化接收天線可以克服極化失配的問題，保證可以接收到被探測目標的信號。

4 下變頻接收模塊

下變頻接收模塊的作用是為數(shù)字處理器提供方位維波束合成的中頻信號[7]。經(jīng)分析，該下變頻模塊包括下變頻接收通道和校準網(wǎng)絡。下變頻通道對陣列俯仰維子陣接收到的信號進行放大、濾波、下變頻得到中頻信號。校準網(wǎng)絡的作用是對各個接收通道進行幅相校準，以確保后端數(shù)字處理器可以準確合成波束。下變頻模塊原理如圖2所示。

圖2 下變頻模塊原理圖

4.1 下變頻接收通道

接收通道采用一次下變頻結構，通過對信號進行濾波、放大下變頻后得到相應的中頻信號。該下變頻模塊輸入信號頻率為2.4GHz到2.483GHz跳頻信號，跳頻步進為 10MHz,根據(jù)后端 AD采樣要求，輸出中頻信號頻率為70MHz,中頻帶寬14MHz。設計下變頻接收通道時要注意以下幾點。

（1）外界干擾信號。首先輸入頻率在2.4GHz附近，這一頻段外界干擾信號比較多，需要在前端采用預選濾波器對干擾信號進行抑制；其次，一次下變頻結構中存在的一個重要問題是鏡像干擾，鏡像頻率與有用頻率下變頻后得到相同的中頻，鏡像頻率是需要抑制的，針對鏡像干擾問題，選擇采用帶寬盡量窄、帶外抑制較高的鏡像抑制濾波器對其進行抑制。

（2）噪聲系數(shù)與靈敏度。噪聲系數(shù)大小反映接收通道內部噪聲的大小，靈敏度反映接收通道對小信號接收能力的強弱，它們之間的關系[8]可由（1）表示。

為通道噪聲系數(shù)，BW為信號帶寬，為識別系數(shù)，從（1）式中，可以中看出噪聲系數(shù)越小，接收通道的靈敏度越高。所以在設計接收通道的過程中應盡可能減小噪聲系數(shù)，系統(tǒng)級聯(lián)噪聲系數(shù)可由（2）表示。

從（2）式中可以看出前級噪聲系數(shù)大小對整體噪聲系數(shù)大小起決定作用，所以在前級采用低噪聲放大器可以有效保證接收通道整體噪聲系數(shù)。

（3）線性動態(tài)范圍。動態(tài)范圍反應接收通道可接收信號的范圍，動態(tài)范圍的上限取決于接收通道的1dB功率壓縮點，下限取決于接收通道的靈敏度，其關系如（3）式所示。

下變頻通道的設計過程中，在兼顧對小信號的探測能力的同時，考慮到滿足接收通道在輸入信號較強的情況下可以正常使用，加入了一個最大衰減量為 31dB 的數(shù)控衰減器。通過調整數(shù)控衰減器的衰減量可以擴展接收機的動態(tài)范圍，提高大信號處理能力。

（4）幅相一致性。多通道下變頻模塊為后端數(shù)字波束形成提供多路中頻信號，良好的幅相一致性可以保證數(shù)字波束正確合成，在通道中適當采用 π型衰減器和調相線可以對通道的幅度相位進行調整，從而確保通道的幅相一致性。

4.2 校準網(wǎng)絡

為了保證接收通道性能，確保后端數(shù)字波束正確形成，有必要對接收通道幅相進行監(jiān)測與校準。接收通道校正分為外場校正和內場校正，外場校正又可分為遠場校正和近場校正[9]。遠場需要一個大范圍的測試場和輔助天線，近場常采用近場探針，同時需要一個使探針精確掃描的復雜裝置；內場校正則是依靠接收通道內的設備進行檢測與校正，具體方法是通過通道內頻率源模塊產(chǎn)生測試信號，經(jīng)行波饋源或者開關矩陣將測試信號送入接收通道的輸入端。通常對于有源器件來說，每次開機環(huán)境參數(shù)及電壓波動都會對信號的幅度和相位產(chǎn)生影響，為保證工作條件一致性，每次都必須進行內場校正；而對于無源器件，每次開機對信號幅度相位影響是一致的，所以只需進行一次外場校正即可。

本方案采用內場校正法對下變頻接收通道進行校準，原理圖如2.14所示，校準時，跳頻源模塊產(chǎn)生內場測試信號，以一路通道作為基準，利用開關矩陣選擇相應的通道，比較通道之間的幅相值，通過通道內的衰減器和調相線對幅相值進行校準以達到指標要求。

5 仿真、測試結果

5.1 發(fā)射天線單元仿真結果

根據(jù)該射頻前端需求，設計套筒式單極子天線，天線內芯高度l=30.24mm,套筒長度L=29.34mm，套筒直徑A=11.97mm。仿真結果如下圖所示。

圖3 發(fā)射天線仿真結果

由仿真結果知，在工作頻帶內，天線駐波＜2，具有良好的匹配，天線增益達到2dB。

5.2 接收天線單元仿真結果

根據(jù)該射頻前端需求，設計單饋圓極化微帶天線，微帶貼片尺寸為L×W=17.6mm×17.6mm，切角尺寸 a=1.5mm，饋電點距離中心的尺寸為，介質基板厚度，介電常數(shù)，仿真結果如下圖所示。

由仿真結果知，在工作頻帶內天線駐波＜2，具有良好的匹配，天線法向增益3.58dB。

5.3 下變頻模塊測試結果

下變頻模塊實物如圖5所示。采用頻譜儀、示波器、信號源、直流電源、噪聲系數(shù)分析儀等對下變頻模塊進行測試。其主要指標測試結果為：下變頻模塊工作頻率為S波段；下變頻通道噪聲系數(shù)＜3，幅度一致性≤±1dB，相位一致性≤±5°，通道隔離度＜-40dB，1dB壓縮點≥8.8dB，通道增益如表所示；校準網(wǎng)絡輸出功率，校準網(wǎng)絡幅度一致性≤±1dB，相位一致性≤±10°；頻率源相位噪聲：＜-95dBc/Hz@1KHz、＜-95dBc/Hz@10KHz。由測試結果和（1）、（2）、（3）式，該下變頻模塊的線性動態(tài)范圍優(yōu)于70.4dB。

圖5 下變頻模塊加工實物

表1 下變頻模塊增益測試結果

6 結束語

本文提出了低成本全電控陣列前端的設計方案，其為無人機探測雷達提供信號。該前端采用錐臺陣列可實現(xiàn)了較大空域的波束覆蓋，采用全電控的方法可實現(xiàn)了波束快速掃描。針對主動探測模式設計了全向發(fā)射天線，考慮到被動探測目標信號極化方式的未知性設計了圓極化接收天線。設計了為數(shù)字波束合成提供中頻信號的下變頻模塊，經(jīng)測試該模塊工作頻帶內具有良好的性能。

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