P波段瞬态极化雷达系统T/R组件设计

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                1  引言

                        瞬态极化新体制雷达对于提高雷达系统在复杂战场环境中的探测性能和感知能力以及在抗干扰、反隐身、反低空突防等方面具有极其重要的军事价值。其主要功能是探测雷达目标的极化散射特性，同时测得目标的极化散射矩阵的4个参数，避免了传统的分时极化测量体制固有的测量精度差、补偿校准复杂的缺陷，因而为准确测量运动目标的极化散射矩阵提供了技术保证。
                         
                        2  T/R组件介绍

                        T/R组件是瞬态极化雷达射频电路系统的重要组成部分，其主要完成发射功率放大、收发隔离和接收低噪声放大等功能。如图1所示，来自上变频组件的射频信号经过功率放大器放大后，由环行器输出至天馈系统，接收到的信号由环行器送至限幅器，经接收开关、滤波器和低噪声放大器放大后送至下变频组件。本文将重点介绍功率放大器高速开关、限幅器、接收开关、接收预选滤波器和低噪声放大器的设计过程。
                 
                        3.2  限幅器设计

                        限幅器常用在接收设备的前级，对超过门限的大功率输入信号限幅，起到保护后级敏感电路和器件的作用。限幅器一般由输入端口和输出端口上的隔直流电容器和集成式二极管限幅器电路组成。集成电路包含着透过50 传输线并联的平面掺杂阻挡层(PDB)或Schottky二极管。限幅器在低输入电平时有很低的插入损耗和线性特性，可提供对瞬态或短时间过载的保护。本文采用Agilent公司提供的HSMP2822的串联型二极管对来用做限幅器，图3(a)是二极管对的结构，(b)是构成限幅器的安装方式，(c)为限幅器的等效电路图。
                         
                        3.2  高速接收开关设计

                        发射机在发送脉冲期间，功率放大器输出的大部分能量通过环行器馈入天线，因为环形器隔离的两个端口之间的隔离度约为25dB，所以仍有少部分能量耦合到环形器接收输出端口，天线不是理想匹配会导致耦合到环行器接收输出端口的能量加大，这部分能量经过接收通道前面的限幅器时被衰减到不损坏后面电路的水平，但是衰减后的信号电平仍足以让低噪声放大器等后级有源电路进入深度饱和状态，电路从深度饱和状态恢复到正常工作状态需要一定的时间，这个时间称为饱和恢复时间。饱和恢复时间会增加雷达的盲距。按照设计要求，发射期间收发隔离度需要大于90dB。环行器在天线良好匹配的情况下，隔离端口之间的隔离度为25dB，考虑到天线的轻微失配，环形器的隔离度仅能按照20dB考虑。因此接收开关的通断比应该超过70dB。
                         
       

               

       

                图3  欧姆阻抗端接限幅器原理图

                         
                        接收开关的速度会影响到雷达探测的盲距，因此应该选择高速射频开关作为接收开关。选用ADG901作为制作接收开关的开关元件，它的输入输出口都是连接50负载到地的。为了达到设计的要求，采用两片ADG901串联的方式来提高隔离度。单片ADG901的插损在本系统工作的频段内约有0.5dB的插损，两片串联则有约1dB的插损。实际制作的接收开关的隔离度除跟芯片的特性有关外，还跟布线和屏蔽腔体的尺寸有关。两片ADG901串联做成的接收开关实测的隔离度为73dB，插损1.1dB，达到了设计的要求。图4为接收开关和限幅器的实物图。
                         
       

               

       

                图4  高速接收开关和限幅器实物

                         
                        3.3  接收预选滤波器设计

                        为了得到性能较好的接收机前端，滤除接收机中的各种干扰信号，保留有用信号，必须在接收机前端适合的地方放置滤波器，尤其是放置于系统第一级的预选滤波器，它的性能好坏直接影响了整个接收机射频前端的噪声系数。必须将预选滤波器的损耗降至最低，同时还必须使其具有系统所需要的选择特性。实际选用的是1类陶瓷电容滤波器，图5是双通道预选滤波器的测试结果，可看出，在带外滤波特性极为陡峭，抑制性能较好，通带纹波小于0.3dB；通带和阻带指标达到了设计要求。
                         
       

               

       

                图5  接收预选滤波器性能实测结果

                         
                        3.4  低噪声放大器设计

                        在各种特定(带宽BW、解调信噪比S/N已定)的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。本系统的低噪声放大器采用两级串联的形式，在噪声系数满足设计指标的同时具有足够高的增益。前级采用万通的WHM02AE，后级采用Mini-circuits的MAR-8ASM。由于WHM02AE只使用数量很少的不同的外围元器件，因此它能形成最低的噪声系数和最佳的匹配，并且适用于各种频段的放大器。低噪声放大器的增益较高，封闭在30mm×30mm×20mm的腔体内，需要避免自激，两个放大管均为无条件稳定的，因此实际使用中主要是避免输出到输入的反馈。首先，在电路结构设计上做到充分的电源滤波，其次是在PCB布板上做好阻抗控制、尽量增加两级的距离，图6为低噪声放大器的实物图。
                         
       

               

       

                图6  低噪声放大器实物

                图7给出了低噪声放大器性能测试结果，可以看出低噪声放大器约有45dB的增益，实测的结果达到设计的目标。
                         
       

               

       

                图7  低噪声放大器实测结果

                         
                        图8是将功率放大器高速开关、预选滤波器、低噪声放大器，接收开关以及限幅器集成在一起并采用腔体进行屏蔽的实物图。
                         
       

               

       

                图8  T/R组件屏蔽腔内电路实物图

                         
                        4  性能测试结果

                        T/R组件主要完成发射功率放大，收发隔离和接收低噪声放大等功能。图9是完整的T/R组件实物：
       

               
               

       

                图9  完整的T/R组件实物

                         
                        经测试，T/R组件达到的主要电气指标如下：
       

               

•                         工作频率：420 MHz—450MHz；               
  
•                         发射功率：≥50W；               
  
•                         发射通道增益：41±1dB；               
  
•                         接收通道增益：45±0.5dB；               
  
•                         接收通道噪声系数：≤2.5dB；               
  
•                         收发隔离度：≥90dB；       
  

                         
                        5  结论

                        瞬态极化雷达系统的发射功率小，作用距离短，因此雷达的作用盲距不能太大，这就要求射频前端的T/R组件有很高的转换速度。目前，能够承受数十瓦功率的T/R转换器的转换速度都在几十微秒到毫秒量级，因此造成的盲距均在数公里以上，而且体积较大，价格昂贵，显然不适合本系统。
                         
                        通过广泛分析计算可能的技术方案，最终确定了环行器，限幅器和射频开关相结合的T/R转换器的研制方案。接收机噪声系数主要由天线到低噪声放大器之间的传输损耗和低噪声放大器的增益和噪声系数决定。在系统设计与实现过程中，通过尽量减少传输损耗并提高第一级低噪声放大器的增益，以降低接收机的噪声系数。
                         
                        该方案以较低的研制成本达到系统的需求，几乎是目前唯一可行的方案。实验证明，在保证安全的情况下，研制的T/R组件承受的功率超过100W，造成的盲距小于800米，达到设计指标要求。