深入研究具有射频监测能力的雷达系统接收前端技术

雷达系统在雷达信号、雷达干扰信号、多径信号、杂波信号等复杂电磁信号共同作用下工作性能受到严重影响。为厘清雷达系统输入信号与输出现象之间的影响机理和作用规律，开展了具有射频监测能力的雷达系统接收前端技术研究。该接收前端基于CPCI总线架构采用多种模式的信号耦合和采样方式，对雷达系统接收前端通道中的各个关键节点进行信号提取，为雷达信号接收通道多路径耦合效应和复杂电磁环境多要素叠加效应的机理研究提供基础测试平台和测量数据。

引言

复杂电磁环境是现代和未来战场最突出的特征之一，作为电子信息装备，雷达系统的探测能力更是受到电磁环境的严重制约［1］。当前雷达系统在复杂电磁环境效应下的性能研究主要依托于雷达对抗效果评估系统开展的，这类系统不仅价格昂贵，同时系统硬件条件已经固化和封装，没有预留和引出专门针对复杂电磁环境效应研究的中间量测试端口，只能以实际雷达的最终显示结果对干扰现象进行分析，这种分析对于单一干扰源对雷达的影响效应是可行的，但是，当多源干扰或复杂电磁环境要素增加时，仅通过最终结果来分析复杂电磁环境对雷达系统的影响效应是非常困难的［2］。

因此，研究、建立复杂电磁环境下雷达探测能力的评估平台与试验方法显得十分重要。本文旨在设计研究具有射频监测端口的雷达接收前端，该前端设备实现在接收通道中关键信号流动环节处的信号监测，为电磁环境多要素叠加效应机理研究提供硬件基础和必需的数据支撑。

1 工作原理

接收机采用高精度测量雷达系统普遍使用的单脉冲测角方式。单脉冲测角雷达需同时兼顾比幅/比相两种体制。比幅体制下，雷达接收机射频前端具有和通道、差通道两个接收支路。比相体制下，坐标平面内有两个通道。因此，接收前端设计为基于CPCI总线架构的双通道链路结构，形成和差两个接收支路，分别用于接收和支路信号与差支路信号。

接收前端采用超外差变频链路，主要由限幅器、低噪放、混频器、中放、滤波器、本振等组成，同时各关键器件模块前后采用耦合器引出射频监测点。雷达接收前端将频率范围为3.1 GHz～3.5 GHz、功率范围为-100 dBm～-30 dBm的目标回波信号，通过超外差变频链路变频至70 MHz中频，中频最大输出功率为0 dBm。接收前端原理框图如图1、图2所示。

2 系统设计

2.1 系统指标要求

接收前端关键技术指标：

接收频率范围： 3.1 GHz～3.5 GHz；

雷达信号带宽：1 MHz、2.5 MHz、5 MHz可选；

噪声系数： ≤3 dB；

接收灵敏度：-100 dBm；

接收动态范围：-100 dBm～-30 dBm；

接收通道增益：优于70 dB；

中频频率：70 MHz，带宽5 MHz；

输出中频电平：≥0 dBm；

带内起伏：≤3 dB；

镜像抑制：≥60 dBc；

谐波抑制：≥30 dBc；

杂散抑制：≥50 dBc。

2.2 电路设计

接收前端主要包括和通道和差通道，两通道采用相同的设计链路。由于超外差接收机具有杂散低、镜像抑制高等特点，设计采用超外差接收机二次变频方案，并选择高中频减小混频干扰对目标信号的影响。设计将输入频率范围为3.1 GHz～3.5 GHz、功率范围为-100 dBm～-30 dBm的目标回波信号与频率范围为7 GHz～7.4 GHz的可变本振信号混频，输出频率为3.9 GHz的第一中频信号，该信号通过与频率为3.97 GHz的固定本振混频，输出频率为70 MHz的中频信号，该信号送至中频采集模块进行后续采样和解调。根据灵敏度、输出信噪比、输出中频电平计算接收机增益为80 dB，具体增益分配至射频低噪声放大器及第一中频及第二中频放大器处。详细电路设计如图3所示。

3 关键技术指标设计分析

3.1 定向耦合器影响分析

射频监测接口为雷达接收前端的非功能端口，所以该接口的设计不会在功能上对射频通道产生影响，同时又能够实现引出监测点、对射频通道各关键节点信号进行监测的目的。通过对监测接口引出信号的分析，可以得出该节点处射频通道中主通路信号的频率、功率等关键参数。

本设计中采用定向耦合器对射频通道向外引出监测点。因定向耦合器的插入损耗影响接收机的灵敏度，若将插入损耗为0.3 dB定向耦合器放置于低噪声放大器的前级，接收机灵敏度约降低0.3 dB。因信号已经过放大，此节点后再接入的定向耦合器对接收机灵敏度不再有影响。为了避免多个耦合器同时添加对系统灵敏度的影响，设计采取功率补偿的方法对耦合器带来的影响进行调节。功率补偿的方法有两种，一种是逐级功率补偿，也就是处理过程中在耦合器前对该点的功率进行调节，先进行增益放大，再添加耦合器；另一种是在所有耦合器的最终输出端添加一个低噪放大器，对模块进行最终的一次性功率补偿。

逐级功率补偿方式由于其反复地放大衰减，造成系统功率的不稳定，随着环境温度的变化变化较大。从性能上分析，反复地放大衰减将抬高杂散功率，对系统的指标造成影响。

最终一次性功率补偿方式可以有效地对由耦合器的插入损耗造成的系统功率衰减进行功率调节，使系统的杂散影响降到最低。另外该接收模块由增益控制，输出功率控制在-60 dBm以上，所以，不会有小信号输出，单次功率调节对系统的影响可以忽略不计。

经过以上考虑，最终采用单次功率放大的方法来补偿耦合的加入对功率的影响。多级定向耦合器的总插入损耗不大于6 dB，接收前端可通过放大器补偿多级定向耦合器插损，因此多级定向耦合器对接收前端后级输出功率影响较小。

为了研究耦合器对系统的影响，对定向耦合器进行了功率及相位测试。耦合器输入频率为3.5 GHz、功率为-20 dBm的连续信号，测试得到耦合端输出的信号功率为-9.98 dBm，同时从耦合器输出端测试到的信号功率为-20.57 dBm。由测试结果可知添加一个耦合器对主路信号的衰减值小于0.6 dB。测试结果如图4~图6所示。

通过以上的功率和相位测试可知，在3.1 GHz～3.5 GHz频段范围内，耦合器的添加不会对主路信号的相位产生任何影响，单个耦合器的添加，会对主路产生不大于0.5 dB的插入损耗。通过功率补偿，不会影响主路功率的变化。

3.2 增益分配设计

因接收机动态范围大，且要求灵敏度较高，所以需要在接收通道中对增益进行分配，分配到射频低噪放、频率为3.9 GHz的第一中频和频率为70 MHz的第二中频中去。

接收前端通道设计中使用的限幅器的插入损耗为1 dB，低噪声放大器增益为30 dB，混频器的插入损耗为8 dB，中频放大器组采用自动增益控制放大器，由图3所示详细电路设计图可知通道总增益约为85 dB，满足设计指标要求。

同时，为保证混频器的本振功率处在合理范围内，在接收前端的变频过程中进行了检波电路设计。在变频过程中，检波器将对输入信号的功率进行采样检波，检波的电平值反映出该采样点的功率，同时，检波电路中的模数转换器对该电平值进行数据采样，并对衰减器进行实时控制，从而实现对输出功率的自动控制。

3.3 混频杂散设计

雷达接收前端采用超外差式接收机变频方式，通过两次变频将雷达目标信号下变频至中频信号，第一次混频输出固定频率中频信号3.7 GHz，该信号经窄带滤波器滤波后与固定频率3.97 GHz本振信号进行第二次混频，混频得到频率为70 MHz中频信号，该中频信号经窄带滤波输出。因此混频杂散主要由第一次混频引起，通过混频杂散计算软件对接收前端的第一次混频杂散进行软件仿真计算。计算中输入信号频率范围为3.1 GHz～3.5 GHz，输入信号谐波计算次数为3次，本振信号频率范围为7 GHz～7.4 GHz，本振信号谐波计算次数为3次，计算输出混频杂散。

由图7所示混频杂散计算结果可知，设计中5次杂散抑制大于65 dB，满足设计指标要求。

4 性能测试结果与分析

设计研制的雷达接收前端达到的技术指标如表1所示。输入的测试信号频率范围为3.1 GHz～3.5 GHz，功率范围为-100 dBm～10 dBm，第一本振信号频率范围为7 GHz～7.4 GHz，功率范围为-10 dBm～10 dBm，第二本振信号频率为3.97 GHz，功率范围为-10 dBm～10 dBm。

由表1可知，雷达接收前端整机测试结果符合设计要求。同时，该接收前端在变频链路的低噪声放大器与混频器前后均设计了定向耦合器，用于进行射频监测，共设计了6个射频监测端口供外部设备进行测量分析。

5 结论

本文提出一种具有射频监测能力的雷达接收前端技术，解决了现有雷达及雷达测试系统无法在接收过程中对复杂电磁环境的影响效应进行有效分析和测量的问题。该技术用于对多干扰源及多要素叠加的电磁环境作用下的接收机单通道特性及通道间的特性测试，测试结果可供雷达系统设计人员和调试人员参考分析，为提高雷达系统的整体性能提供了必要的测试手段［3］。同时，该接收前端基于CPCI总线架构，体积小、操作和控制方便，易于进行改进和二次开发。

参考文献

［1］ 胡进.复杂电磁环境下雷达探测能力的定量描述［J］.航天电子对抗,2017, 33(1):32-35.

［2］ 王培章，邵尉，余同彬，等. 宽带一体化接收前端技术的研究［J］.微波学报,2012 (8):319-321.

［3］ 蒙妍,张林让,彭炜杰. 雷达多通道接收机测试系统的设计与实现［J］.电子科技,2017,30(10):5-7,11.