Ku波段雷達(dá)接收機(jī)設(shè)計(jì)

摘要 闡述了Ku波段雷達(dá)接收機(jī)的工作原理進(jìn)行了闡述，并對(duì)設(shè)計(jì)方案與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。Ku波段接收機(jī)由低噪聲變頻單元、中頻放大、本振和電源4個(gè)獨(dú)立單元組成。對(duì)各單元電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，給出了元器件選型以及仿真結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，Ku波段接收機(jī)的噪聲系數(shù)≤1．0 dB、增益≥55 dB、輸入輸出駐波，相位噪聲雜散，鏡像抑制等指標(biāo)均滿足實(shí)用技術(shù)要求，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)Ku波段接收機(jī)部分指標(biāo)提出了進(jìn)一步優(yōu)化的方法。
關(guān)鍵詞 雷達(dá)接收機(jī)；噪聲系數(shù)；增益

    隨著現(xiàn)代調(diào)制體制的快速發(fā)展，無(wú)線頻譜的利用率日益加劇，對(duì)接收機(jī)的線性度、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、抗干擾能力、適應(yīng)性等方面的性能和指標(biāo)提出了越來(lái)越高的要求。這就要求現(xiàn)代通用接收機(jī)在保證信號(hào)檢測(cè)能力的前提下：盡可能地提高接收機(jī)的線性度，使信號(hào)失真最小、誤碼率最低；盡可能地展寬接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，使接收機(jī)的適應(yīng)度更大、抗干擾能力更強(qiáng)。

1 工作原理
    Ku波段雷達(dá)接收機(jī)主要由低噪聲混頻單元，中頻放大單元，本振單元及電源部分組成，信號(hào)經(jīng)天線接收后首先進(jìn)入低噪聲放大單元，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，選頻以及混頻。之后進(jìn)入中頻放大單元，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，濾波和輸出。接收機(jī)電路原理框圖如圖1所示。

2 電路優(yōu)化設(shè)計(jì)
2．1 低噪聲變頻單元設(shè)計(jì)
    低噪聲變頻單元主要由低噪聲放大器、微帶帶通濾波器、射頻放大器和鏡像抑制混頻器組成。增益、噪聲系數(shù)、帶外抑制、鏡像抑制度等是重要的指標(biāo)，不僅是下變頻技術(shù)，還有低噪聲放大器LNA的設(shè)計(jì)都是整個(gè)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。
    (1)低噪聲放大器。本接收機(jī)的最前端是LNA，它的噪聲決定了整機(jī)噪聲系數(shù)；考慮到噪聲指標(biāo)要求較高，為減小輸入口的損耗，故接收機(jī)輸入信號(hào)由波導(dǎo)口輸入后不再加隔離器，這就要求第一級(jí)低噪聲放大器在保證自身噪聲系數(shù)低的情況下，還應(yīng)注意其輸入端和波導(dǎo)口的駐波匹配。為保證整機(jī)噪聲指標(biāo)，低噪聲放大器不但要求噪聲系數(shù)低，還要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)脑鲆嬷?，以降低低噪聲放大器后端給整機(jī)噪聲指標(biāo)帶來(lái)的影響。在該接收機(jī)低噪聲放大器單元，采用兩級(jí)低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管放大，通過(guò)微波低噪聲放大器設(shè)計(jì)理論的計(jì)算，結(jié)合相應(yīng)的微波軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

 
    根據(jù)仿真結(jié)果，低噪放增益25 dB，噪聲系數(shù)<0．7 dB；輸入駐波<1．8，輸出駐波<1．3；另外低噪放的穩(wěn)定系數(shù)K值>1，保證了低噪放的穩(wěn)定性。
    (2)帶通濾波器。在低噪聲放大器后面接有一個(gè)微帶半波長(zhǎng)濾波器，引入射頻帶通濾波器。射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器后，通過(guò)帶通濾波器選頻抑制帶外信號(hào)，有利于提高接收信號(hào)的純度和鏡像抑制度，抑制帶外信號(hào)及雜散信號(hào)，提高接收機(jī)輸出信號(hào)的純度。
    該類濾波器具有性能穩(wěn)定、帶外抑制度高、駐波比小等優(yōu)點(diǎn)。另外，選用高介電常數(shù)的基片來(lái)減小濾波器的體積，并通過(guò)圖形發(fā)生器進(jìn)行照相制版來(lái)保證濾波器的一致性和可靠性。帶通濾波器軟件仿真結(jié)果如圖3所示。
    (3)變頻電路。在該接收機(jī)中，對(duì)鏡像抑制度要求較高，除了選擇在低噪聲放大器后面加微帶帶通濾波器來(lái)抑制鏡像信號(hào)外，還需要選擇鏡像抑制混頻器。在通常設(shè)計(jì)中，可以利用混頻二極管組來(lái)實(shí)現(xiàn)鏡像抑制混頻器，這類混頻器優(yōu)點(diǎn)在于可調(diào)解性好、鏡像抑制較高，但是反相隔離稍差，體積較大；另外可以利用I／Q鏡像抑制混頻器，該類混頻器一般采用國(guó)外生產(chǎn)的集成混頻器單片，具有體積小、鏡像抑制度和反相隔離度高的特點(diǎn)。為簡(jiǎn)化電路，縮減整機(jī)體積，采用I／Q鏡像抑制集成混頻器單片。
    混頻器采用I／Q鏡像抑制集成混頻器，其性能指標(biāo)比較優(yōu)越，可以滿足接收機(jī)使用。傳輸損耗8 dB；鏡像抑制≥20 dB；本振和射頻隔離≥45 dB；本振和中頻隔離≥20；1 dB壓縮點(diǎn)輸入功率14 dBm。采用該鏡像抑制混頻器，能夠?qū)?strong>鏡像抑制增加20 dB。由于選擇的是低本振，能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜特性不倒置。
2．2 中頻放大單元設(shè)計(jì)
    中頻放大單元主要由90°合成器、溫敏衰減器、中頻放大器、中頻帶通濾波器等部分組成。
    (1)中頻放大器。中頻放大采用兩級(jí)RF公司的NBB-500單片放大器，此單片放大器封裝體積小、應(yīng)用電路簡(jiǎn)單、使用方便。NBB-500增益為18 dB，輸出P-1為14 dBm，工作電壓／電流為3．5 V／35 mA。NBB-500增益曲線如圖4所示。

    (2)溫敏衰減器。在-40～+55℃的溫度范圍內(nèi)有3 dB的增益變化，它隨溫度變化是反斜率的，即高溫衰減量小，低溫衰減量大；能較好地補(bǔ)償接收機(jī)射頻鏈路的增益隨溫度變化的正斜率。
    (3)中頻濾波器。采用低通濾波器和高通濾波器級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)帶通濾波器，中頻帶通濾波器插損<1 dB，帶外抑制≥40 dBc。
2．3 本振單元設(shè)計(jì)
    本振單元輸出信號(hào)的相噪、雜波抑制直接影響著接收通道的性能指標(biāo)。本振單元采用鎖相結(jié)合倍頻方案，其中參考信號(hào)是通過(guò)在中頻輸出口增加低通濾波器輸出得到。鎖相環(huán)電路使用CRO系列超低相噪介質(zhì)壓控振蕩器，將CRO的信號(hào)與參考信號(hào)通過(guò)鑒相器構(gòu)建鎖相環(huán)路鎖相，CRO輸出頻率為Fo／2。然后將鎖相環(huán)輸出的信號(hào)2次倍頻后進(jìn)行高通濾波輸出。
    在理想情況下，鎖相環(huán)內(nèi)的典型相位噪聲計(jì)算公式如下
    L(fm)=L(fm)REF+20lg(fVCO／fREF)         (1)
    式中，L(fm)為單邊帶相位噪聲；L(fm)REF為參考源的相位噪聲；fVCO為壓控振蕩器的頻率；fREF為鑒相頻率；fm為頻偏。
    根據(jù)上面公式計(jì)算，在輸出頻率為9．70 GHz時(shí)，環(huán)路內(nèi)相位噪聲的惡化值理論值為
    20lg(fVCO／fREF)=20×lg970=60 dB        (2)  
    影響本振源相位噪聲指標(biāo)主要因素有兩個(gè)：參考源的相位噪聲L(fm)REF和本振頻率與鑒相頻率的比值fVCO／fREF。環(huán)路帶寬外部的相位噪聲值主要由CRO相位噪聲決定，設(shè)計(jì)CRO頻率為4 850 MHz，相位噪聲為-105 dBc／Hz@10 kHz；-120 dBc／Hz@100 kHz；由此計(jì)算2倍頻后相噪惡化值為20lg2=6 dB，本振可實(shí)現(xiàn)理論相噪為-99 dBc／Hz@10 kHz；-114 dBc／Hz@100 kHz。

    計(jì)算2倍頻后相噪惡化值為20lg2=6 dB。輸出9．70 GHz信號(hào)的相位噪聲為-74 dBc／Hz@100 Hz；-84 dBc／Hz@1 kHz；-94 dBc／Hz@10 kHz；-112 dBc／Hz@100 kHz。

3 測(cè)試結(jié)果與分析
    測(cè)試結(jié)果如表1所示。

    由表1可知，Ku波段低噪聲高增益LNB整機(jī)測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。但考慮到目前無(wú)線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，技術(shù)指標(biāo)要求不斷提高，擬對(duì)以下指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)，其中輸出端駐波可加入隔離器，由于噪聲系數(shù)主要受前端波導(dǎo)轉(zhuǎn)換、低噪聲放大器以及射頻濾波器影響，射頻濾波器處于級(jí)聯(lián)系統(tǒng)第二級(jí)，對(duì)系統(tǒng)噪聲影響明顯，考慮對(duì)射頻濾波器重新進(jìn)行優(yōu)化仿真，降低濾波器損耗，從而促進(jìn)系統(tǒng)噪聲系數(shù)優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)
    Ku，K和Ka波段接收機(jī)隨著近年來(lái)發(fā)展，目前Ku波段接收機(jī)的重要發(fā)展方向是高性能、小型化和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文中對(duì)從小型化接收機(jī)研制的必要性，以及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了描述，通過(guò)實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)接收機(jī)提出了優(yōu)化改進(jìn)思路。