X 波段多普勒雷達(dá)射頻前端的設(shè)計(jì)應(yīng)用

季夢 江蘇無線電廠有限公司

引言

考慮到傳統(tǒng)大口徑火炮膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度等參數(shù)測量方法的缺陷，要重點(diǎn)探討和研究X 波段多普勒雷達(dá)射頻前端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，在明晰X 波段多普勒雷達(dá)相關(guān)原理的前提下，進(jìn)行雷達(dá)射頻前端各參數(shù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 多普勒雷達(dá)射頻前端設(shè)計(jì)

多普勒雷達(dá)測速原理是指當(dāng)聲、光等波源與觀測者進(jìn)行相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收頻率和波源發(fā)射頻率會(huì)產(chǎn)生頻率差，當(dāng)相對運(yùn)動(dòng)速度越快時(shí)，多普勒效應(yīng)也相應(yīng)升高。本課題選取頻率范圍在8GHz-12GHz 的X波段雷達(dá)進(jìn)行測速，體現(xiàn)出波束窄、方向性和穿透性強(qiáng)、全天候作業(yè)等特征。其中，發(fā)射機(jī)主要是將低頻率的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l率的信號(hào)，再經(jīng)由濾波放大電路獲取所需發(fā)射的信號(hào)。接收機(jī)則對接收的射頻信號(hào)進(jìn)行選擇、放大，并將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l信號(hào)，由系統(tǒng)后端進(jìn)行信號(hào)處理。

1.1 總體設(shè)計(jì)。在進(jìn)行多普勒雷達(dá)射頻前端設(shè)計(jì)的過程中，主要考慮以下性能指標(biāo)，即：發(fā)射支路中的發(fā)射增益、雜散、相位噪聲；接收支路中的接收增益、接收噪聲系數(shù)、接收靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍等。其工作原理為：頻率源發(fā)出兩路信號(hào)，通過直接倍頻和混頻的工作方式，一路經(jīng)由耦合器、功率放大器發(fā)射9.6GHz 的信號(hào)，一路經(jīng)由混頻器和帶通濾波器接收8.4GHz 的本振信號(hào)。設(shè)計(jì)參數(shù)有：天線增益20dBi、駐波比為1.5。

1.2 各支路方案設(shè)計(jì)。（1）發(fā)射支路設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的發(fā)射支路采用超外差結(jié)構(gòu)，包括有混頻器、帶通濾波器、耦合器、功率放大器，以耦合器和功率放大器作為發(fā)射支路，將頻率源產(chǎn)生的9.6GHz 信號(hào)由天線發(fā)射至空間；并利用混頻器的非線性特點(diǎn)，對頻率源產(chǎn)生的8.4GHz信號(hào)進(jìn)行頻率變換，進(jìn)行信號(hào)的選擇、諧波濾除和雜散處理，使之成為接收支路的本振信號(hào)。（2）接收支路設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的接收支路采用超外差結(jié)構(gòu)，包括有射頻濾波器、低噪聲放大器、混頻器、中頻濾波器/放大器，由射頻濾波器對接收的9.6GHz±0.25GHz 信號(hào)進(jìn)行濾波處理，由低噪聲放大器對其進(jìn)行放大，再與發(fā)射支路生成的8.4GHz 本振信號(hào)進(jìn)行混頻，濾波、放大生成1.5GHz 的中頻信號(hào)。

2 X 波段多普勒雷達(dá)射頻前端發(fā)射支路的設(shè)計(jì)

2.1 混頻器設(shè)計(jì)。由振蕩源、線性器件、濾波電路、輸入輸出回路形成混頻器閉合網(wǎng)絡(luò)，將天線接收的回波信號(hào)與本地載波信號(hào)進(jìn)行混頻，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榇幚淼牡皖l信號(hào)。本設(shè)計(jì)選取帶寬大、動(dòng)態(tài)范圍廣、低噪聲、端口隔離度高、穩(wěn)定性好的無源混頻器，并選取雙平衡二極管混頻器，以有效抑制雜波信號(hào)及多信號(hào)造成的交調(diào)失真現(xiàn)象。

2.2 帶通濾波器設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)選取切比雪夫帶通濾波器，利用其頻帶寬、邊沿陡、應(yīng)用范圍廣的特性，有效濾除頻率信號(hào)中的諧波和雜散，并選擇信號(hào)的信道和頻帶。同時(shí)，選擇并聯(lián)耦合濾波器，利用其無須二次調(diào)諧的特點(diǎn)，解決實(shí)際濾波電路中的問題。通過應(yīng)用分析可知，發(fā)射支路帶通濾波器的帶寬小于101MHz，9.55-9.65 內(nèi)的回波損耗小于-0.4dB，輸入駐波比為2.33。

2.3 功率放大器設(shè)計(jì)。X 波段多普勒雷達(dá)射頻前端的功率放大器可以根據(jù)輸入/輸出信號(hào)的比例關(guān)系，將其分為線性/非線性功率放大器，以獲取發(fā)射支路要求的輸出功率。同時(shí)，為了更好地提高線性度和工作效率，可以采用預(yù)失真器、前饋等技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。在功率放大器的電路設(shè)計(jì)方面，選取包涵三階放大器的EMM5068VU 芯片，并采用單片微波集成技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，相關(guān)參數(shù)包括：輸出功率33dBm、線性增益26dB，阻抗匹配50Ω，工作頻率9.5-13.3GHz。

3 X 波段多普勒雷達(dá)射頻前端接收支路的設(shè)計(jì)

3.1 濾波器設(shè)計(jì)與應(yīng)用。可以選取微帶帶通濾波器，利用其低插入損耗、低噪聲系數(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)行射頻信號(hào)的接收，并有效阻斷雜波信號(hào)的傳輸。同時(shí)，中頻濾波器采用諧振腔體結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出高穩(wěn)定性、高抑制性、駐波比小、插入損耗低的特點(diǎn)。

3.2 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。可以選取增益值小于20dB 的低噪聲放大器，避免混頻器在飽和區(qū)對系統(tǒng)的非線性失真問題，并要具有足夠大的線性范圍，以有效地抑制干擾信號(hào)。還要與相連器件阻抗匹配，以有效減小信號(hào)傳輸過程中的損耗。同時(shí)，低噪聲放大器的芯片采用單片微波集成技術(shù)和砷化鎵材料，設(shè)計(jì)選用Hittite 公司生產(chǎn)的HMC441 芯片，工作頻率為6.5-13.5GHz。

3.3 混頻器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。為了避免非線性失真和頻率干擾等問題，可以設(shè)計(jì)應(yīng)用三階交調(diào)截止點(diǎn)（IP3）較高的混頻器，內(nèi)置Hittite 公司的HMC412AMS8GE 芯片，工作頻率范圍在9.0-15.0GHz 之間。

3.4 放大器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。X 波段多普勒雷達(dá)射頻前端采用三級(jí)放大器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，選取NXP 公司的BGA2709 芯片作為射頻接收單元的放大器和中頻單元的第二級(jí)放大器，選取Mini-Circuits 公司的ERA－5 芯片放大器作為中頻單元的第三級(jí)放大器。

4 小結(jié)

綜上所述，基于雷達(dá)射頻前端相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的前提，進(jìn)行X 波段多普勒雷達(dá)射頻前端的總體設(shè)計(jì)和各支路具體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)射頻前端整體的小型化。后續(xù)還要選取性能更優(yōu)的器件，并對濾波器電路進(jìn)行阻焊加工處理，保證濾波器的濾波效果。還要對傳輸信號(hào)的微帶線進(jìn)行阻抗測試，避免信號(hào)失配的問題。