万承德 胡善祥 高 菡

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 320088)

0 引言

近年来，得益于数字集成电路技术水平的不断完善以及数字波束形成不断深入的研究，数字阵列雷达进行不断发展与完善。

现代数字阵列模块(DAM)设计由于其复杂的探测目标能力，可实现多功能数字收发设计等优点，受到各大科研院所青睐，数字阵列雷达的主要构成部分有数字T/R组件、数字波束形成、大容量高速数据传输技术和高效率软件化信号处理机[1-2]。信号接收是把阵列天线输出的回波信号进行A/D采样后送到数字波束形成器，然后对回波信号进行复加权处理，形成人们所需要的波束信号；有时还担当着波束控制，校正处理，目标追踪等角色。米波段DAM具有可探测距离远，准确度高，信号强等优点，但是在此波段夹杂着众多信号频谱，电视广播等，给人们带来了机遇与挑战。本文结合某种数字阵列雷达项目的背景和要求，对数字阵列模块T/R组件链路进行链路分析与设计、具体实现方法和性能分析。

本文介绍的是基于米波段收发一体数字阵列模块，包含8发16收的射频前段，数字一体化，时钟功分，分布式DC/DC电源，以及数字传输，光电转换等模块。该DAM进行了多通道的独立可控设计，形成收发数字波束。最终完成多功能，高集成，低成本的一体数字化DAM设计[3-4]。

1 DAM链路分析与设计

本文设计的DAM集成了米波段模拟收发通道(8发16收)，1个射频数字化收发板，分布式DC/DC电源模块等，采用水冷散热方式。米波段模拟收发前端采用集成化设计，由一个射频收发数字板来控制其发射波形的产生和对接收信号的采集处理，该米波8通道数字阵列模块(DAM)原理框图及单通道收发单元电路框图如图1所示。

图1 DAM原理框图

由图1可知，该DAM将T/R组件进行一体化集成，同时在终端用一个隔离器将收发两通道进行隔离，避免在接收链路中受到天线大功率冲击损坏低噪放器件，同时在天线不匹配时影响发射链路中功率放大器的阻抗匹配，进而导致功率管损坏。最终保护T/R组件各组件不受损坏。

其中低噪放放大器，发射功率放大器以及一体化收发数字板是该DAM的核心器件，下面进行详细的介绍。

1.1 接收链路

在设计DAM接收链路时，由于工作频段在米波段，波段内存在广播电视等干扰信号，二者之间存在着一定程度的互扰，影响目标探测，严重时导致无法捕获目标，为此本方案需要采取相应抗干扰措施。

1)措施1：接收通道设计时选择合适的P-1值；

2)措施2：采用多级滤波措施，雷达实际工作时根据干扰最小准则来选择工作频点；

3)措施3：选择合适采样率和A/D转换器，使得干扰与采样频率的组合成份尽可能小。

采用三级滤波方式以保证信号的纯净。

第一级是限幅预选滤波，具有插损小、成本低、体积小等特点，该滤波器主要是防止接收外界较大的杂波信号时引起的低噪放深度饱和，后阻塞通道，抗干扰能力差等。

第二级是信道化滤波器，采用滤波器设计技术，主要是对工作频带进行信道化分割，并对带外干扰信号进一步抑制，同时完成射频采样板的抗混叠滤波功能。该滤波器具有体积小、矩形系数好等特点。

第三级为数字低通滤波器，在FPGA中对数字解调后的数字信号进行低通滤波，该滤波器在数字域实现，具有矩形系数好、可重构、设计灵活、不增加硬件成本等特点，三级滤波技术原理如图2所示。

图2 系统三级滤波设计

对接收链路，系统灵敏度是雷达接收机的主要指标，接收机的噪声系数[5-7]为

(1)

Si、So分别为输入、输出信号功率，Ni、No分别为输入、输出噪声功率，此时接收机系统的级联噪声系数FS为

(2)

Fn为第n级联的噪声系数，G表示放大器的增益或变频衰耗、滤波器衰耗的倒数。噪声中检测信号是根据信噪比S/N，由于噪声的随机特性，使得发现“有信号”这一事件是概率分布。设定要求的最小信噪比(S/N)min,有时又称为“识别因子”，记为M。

为了保证正常接收，必有

Si/Ni≥M

(3)

设定最小可分辨率信号功率为

Smin=MNi

(4)

其中噪声功率Ni包括内部噪声功率NR和外部噪声功率NA,有

(5)

上述雷达系统的噪声温度为T，TA为天线的噪声温度，T0=290 K，此时

Smin=kTBnM

(6)

从公式(1)到公式(6)可知，为了提高雷达系统的灵敏度，须尽可能减少接收机的噪声系数或有效噪声温度；尽可能减少天线噪声温度；选用最佳带宽Bopt；在满足系统性能要求情况下，尽可能减少识别因子M，在雷达系统中经常通过脉冲积累的方式减小识别因子M。

对接收机来说，灵敏度主要取决于线性部分(位于检波器或A/D转换器之前)，检波和视放一般影响不大。

为了比较不同接收机对灵敏度的影响，可令M=1，TA=T0，有

Smin=kT0BnFs=kTBn

(7)

此时Smin为“临界灵敏度”，可知临界灵敏度主要与接收机的噪声带宽和噪声性能有关，通常接收机的灵敏度用功率来表示，并常以相对于1mW的分贝数计值，即

(8)

式(8)中，Bn的单位为MHz；Fs的单位为dB。

由上述可知，在系统带宽确定的情况下，噪声系数决定了系统灵敏度，本分系统设计时噪声系数按3.0dB计算。根据该雷达系统对接收机的要求，接收机限幅低噪放要为低噪声系数，由于存在大的发射输出，为避免低噪放在雷达工作时的电扫描与其他同频率电磁反射等环境下被破坏，所设计的低噪放耐受功率必须远大于其组件的发射功率；为了低噪放在具有低噪声系数的同时还具有平坦的幅频响应和均匀的相位线性度，将其设计成平衡式；再对该模块进行限幅，好处是在不加偏置电压的情况下，对泄漏信号大于门限值的任何射频信号(与雷达工作同步的和非同步的)进行衰减，保护接收机正常工作。本系统限幅低噪声放大器的主要技术指标为：

1)工作频率：米波段；

2)输出P-1：≥18dBm;

3)噪声系数：≤1.2dB;

4)耐受功率：峰值400W(开关保护状态，接吸收负载);

5)限幅电平：20mW;

6)开关切换时间：≤1μs。

这样整个接收系统从组件终端往后看总噪声系数约为2.5dB，满足系统指标，根据灵敏度公式可得，当信号带宽Bn为5MHz，噪声系数Fs为2.5dB时，系统灵敏度为104.5dBm。该链路采用了2组开关滤波器，可同时接收到2组信号，再在软件可定义进行信号频谱接收，具体接收链路框图如图3所示。

图3 米波接收链路设计

1.2 发射链路

对米波发射链路，发射激励设计采用射频数字直接合成技术方案，这样可简化系统组成。链路中最重要的功率放大器。

功放模块采用模块化结构，为了减小电路尺寸，提高功放的集成度，采用正反面电路形式，综合考虑模块的电磁兼容和散热，背面为驱动功率电路，有两级功率管，正面为末级功率管，壳体采用紫铜以便于散热，外形尺寸为60mm×50mm×16mm，印制板图如图4所示。

图4 功放模块前级和末级设计图

功率管选用的国产功率器件，表1为两种国内的功率管产品可满足本设计方案指标。

表1 功率管技术指标

由表1可知，末级功率管的输出功率都为200W，考虑到环行器的插损和功率起伏，发射通道实际需要的输出功率在150W左右，功率管的额定功率比需要大2dB左右，因此在设计中利用降低工作电压的方式进行冗余设计，将输出功率控制在150W左右。采用两家的功率管的功放模块将进行统型设计，做成外形相同的模块，最后择优而选。本系统功率放大器的主要技术指标为：

1)工作频段：米波段；

2)输出功率：≥200W；

3)最大脉宽：≥15ms；

4)最大工作占空比：≥25%。

基于DAC的幅相控制和波形产生是数字收发单元的关键技术之一，既可以实现雷达复杂信号产生，又可以实现高速、高精度幅相控制。通过该方法可以产生点频、线性调频、非线性调频、相位编码等调制信号，带宽和时宽都可以根据需要调整。发射链路框图如图5所示。

图5 米波发射链路设计

1.3 一体化数字收发与DAM的EDA仿真

射频数字化收发模块设计是DAM内的重要功能模块，一体化数字收发应用FPGA、ADC和DAC，在一块印制板上实现8通道的数字化接收机和8通道的数字波形产生器。基于软件无线电思想在中频数字化、数字解调产生基带I/Q信号来进行设计。8通道数字接收机功能框图如图6所示。

图6 8通道数字接收机功能框图

数字接收机实现中频数字化接收，形成数字基带I/Q信号，完成数据高速传输。

数字化波形产生实现系统所要求的不同脉宽、带宽射频信号的产生；并具有雷达发射波形的脉前脉后频率掩护和可编程等功能。

根据要求，本文DAM同时需要设计一个其他波段阵列，我们本次主要研究的是米波收发通道。为了保证DAM小体积大能力，本文设计的是一个方块模型，正面设计了米波收发一体化通道和电源，反面放置另一波段阵列和一体化数字板。由于该DAM体积小，信号复杂，为了降低设计风险，组件我们采用流体降温设计，同时采用EDA仿真对其信号稳定性，完整性以及元件温度分布等指标进行预估，DAM转换波形图和DAC输出频谱如图7所示，DAM数字板部分热仿真如图8所示。

图7 DAC转换波形图和DAC输出频谱特性

图8 DAM热仿真设计

从图8可知，该DAM为8通道发射和16通道接收设计。收发一体化数字板置于最下方，产生波束形成和接收信号；电源模块放置在数字板左侧，完成对所需电压的转换同时进行电源滤波；16个开关滤波组件放置在中间位置；功率放大器、环形器置于上方左侧，低噪声放大器置于上方右端，完成对T/R通道信号的发射和接收。

由图8看出DAM功放壳体最高温度约74℃，满足功率管壳体小于80°的温度要求；FPGA/ADC等数字器件壳体温度约为75℃，满足系统85°要求；同时满足要求不同通道间的同种发热器件温度一致性小于5°。

2 DAM性能测试

由于项目要求，该DAM反面同时设计了其他波段的8通道数字收发模块。系统功能增加的同时体积和重量都会相应的增加，DAM实际结构尺寸为615mm×330mm×60mm，重量在15kg左右，但在复杂的条件下能够实现更多的功能，能达到“一阵多用”的效果。

对DAM米波8通道的各项指标进行了测试，单通道米波发射脉冲峰值功率[8]为180W，脉内信噪比大于56dB，二次谐波低于-40dBm以内，信噪比小于2.5dB，接收信噪比达到49以上，通道隔离度在30以内，常温下米波DAM整体效率在36.4%以上，均满足性能指标，实际测试如图9至图12所示。

图9 米波单通道发射脉冲峰值功率与脉内信噪比

图10 米波8通道发射脉内信噪比

图11 米波8通道噪声系数

图12 米波8通道接收信噪比

在实际DAM中，收发通道的幅相稳定性[9]对相控阵雷达也很重要，我们采用收发自闭环方式，测试DAM的幅度稳定性和相位稳定性，实测幅度稳定性小于0.3dB(rms)，相位稳定性小于≤4°(rms)。

从DAM整体设计来看，此类相控阵雷达的每个天线单元对应的不仅是一个有源T/R组件，也是一个数字T/R，即每个T/R通道都由模拟收发通道和数字收发通道(FPGA和ADC)两部分组成。即能够在小尺寸的基础上，以光纤为媒介进行传输，完成对微波强信号、弱信号、数字信号和光信号等多种信号的数据传输，从而实现DAM的高集成设计。

3 结束语

本文从DAM理论出发，对DAM收发链路进行详细的设计分析，再依托EDA仿真完成了对其信号稳定性，完整性以及元件温度分布等指标预估。

该DAM的功放模块采用的发射与接收一体设计，采用三级滤波方式，实现对接收信号的杂波滤除；该DAM使用的收发一体化设计，能实现更多信号采集的能力，包括8通道数字波形产生，16通道数字化接收，集成度高，接口简单，环境适应能力强等优点，已经在某项目中运用。