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境、天氣變化影響等優點，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，對雷達系統構成了與傳統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。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，無人機探測系統主要接收無人機的遙控信號，通過對無人機發出信號的探測，確定無人的位置。在被動探測狀態，系統需要方位維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，系統工作原理與常規雷達相同。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。

該射頻前端為無人機探測雷達系統提供信號輸入。全電控陣列射頻前端系統構成如圖 1所示。該系統天線采用收發分置方式，整個射頻前端由共形陣列天線、俯仰維模擬多波束網絡、下變頻接收模塊、校準網絡、發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數字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，方位維波束由數字波束形成產生，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，系統工作原理與常規雷達相同，此時需要發射天線向外發射信號，通過接收目標的回波信號完成探測定位功能，發射天線采用了低成本的套筒形式單極子天線，發射天為全向型天線。全向的發射天線與方位維的DBF接收體系相結合，實現方位 360°的全覆蓋。同時，該射頻前端還集成了北斗定位天線，為系統提供北斗定位信號。

圖1 系統原理圖

2 天線單元

2.1 發射天線單元

在主動探測模式下，該系統向外發射信號，通過接收目標的回波信號完成對目標的探測定位。系統采用套筒式單極子天線作為發射天線[3]，其具有以下優勢：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，無需伺服系統和饋電網絡，從而可以達到簡化系統結構、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，本系統需要對自身進行定位。北斗二代衛星導航系統采用“無源工作方式”，用戶只需要接收衛星信號便可完成導航定位。該系統工作于L波段并可兼容GPS和Galileo等系統[4]。該方案采用北斗天線作為系統定位天線，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

由本系統要求的波束覆蓋范圍較大，傳統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，這是本系統采用共形陣列的一個主要原因。本系統采用錐臺結構，方位維通過控制電路（開關矩陣或者數字波束形成）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字處理器提供方位維波束合成的中頻信號[7]。經分析，該下變頻模塊包括下變頻接收通道和校準網絡。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。校準網絡的作用是對各個接收通道進行幅相校準，以確保后端數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）噪聲系數與靈敏度。噪聲系數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，BW為信號帶寬，為識別系數，從（1）式中，可以中看出噪聲系數越小，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，系統級聯噪聲系數可由（2）表示。

從（2）式中可以看出前級噪聲系數大小對整體噪聲系數大小起決定作用，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。

（3）線性動態范圍。動態范圍反應接收通道可接收信號的范圍，動態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 的數控衰減器。通過調整數控衰減器的衰減量可以擴展接收機的動態范圍，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 校準網絡

為了保證接收通道性能，確保后端數字波束正確形成，有必要對接收通道幅相進行監測與校準。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生測試信號，經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，每次開機環境參數及電壓波動都會對信號的幅度和相位產生影響，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 發射天線單元仿真結果

根據該射頻前端需求，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，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＜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；校準網絡輸出功率，校準網絡幅度一致性≤±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范圍優于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了較大空域的波束覆蓋，采用全電控的方法可實現了波束快速掃描。針對主動探測模式設計了全向發射天線，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。設計了為數字波束合成提供中頻信號的下變頻模塊，經測試該模塊工作頻帶內具有良好的性能。

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