一种C 波段数字阵列模块设计与研究

刘晓政，陈荣兆，陶玉龙，张 奕

(中国电子科技集团第38 研究所，合肥 230088)

0 引 言［1 ～5］

数字阵列模块作为数字阵列雷达中的基本单元，是一种将多个收发通道集成的数字化雷达前端模块。实现的主要作用:多通道接收机，多通道中频信号数字化及预处理;多通道的波形产生及多通道数字波束形成等。数字阵列模块与外部接口较为简单，多个数字阵列模块可以采用搭积木的形式构筑有源相控阵雷达的天线单元。数字阵列模块的技术指标等决定了数字阵列雷达的技战术指标的高低，从某种程度上也决定了数字阵列雷达的生存价值和使用价值。

1 指导思想

相控阵雷达收发组件和阵面单元天线之间端口的设计十分重要，因为在收发组件的射频端口，既有大功率的发射信号通过天线单元向空间辐射，同时又有大动态范围的接收信号由天线进入组件。如何保证收发组件有效、安全地工作，保证系统的灵敏度、动态范围和输出功率等指标在接口处不变坏，是系统设计中需要优先考虑的。

统筹考虑系统的阵面分布设计与单个模块的尺寸，将数字阵列模块设计为八通道一体化的形式，考虑到发射模块的空间隔离、散热、供电和控制等易用性，牺牲一定的空间和重量，将数字阵列模块设计为收发前端分离的形式，先引出数字阵列模块在雷达系统中的位置，如图1 所示。

图1 数字阵列模块在系统中位置

收发前端模块位于雷达前端，收发前端模块内部包括多路功率放大器、多路低噪声放大器、多路供电分配与控制单元等，与天馈系统相连。相当于传统雷达的发射机和接收前端，用于提供雷达的大功率发射信号，并在接收期接收雷达回波信号，低噪声放大器与发射功放置于一个模块内部，主要考虑让低噪声放大器尽可能地靠近天线，减少长距离信号传送带来的系统噪声的增加，提高接收灵敏度。

接收组件内部包括上下变频单元、本振功率分配单元、多通道数字收发电路、内部时钟源、多路供电分配与控制单元和分布式电源等，最终输出接口为光纤，将多通道大容量的高速数据转换为光信号送给下一级进行处理。

2 模块设计

2.1 收发前端

在收发前端的电路设计中，要充分考虑与发射功率放大器的隔离，防止出现被干扰或不能正常工作等问题，主要为空间隔离设计、电源隔离设计和环路增益分配设计。收发前端模块的内部框图，如图2 所示。

图2 收发前端模块内部框图

简单射频工作链路如下:来自接收组件0 dBmW左右的RF 调制信号，进入到MIC，MIC 再经过约40 dB 功率放大，经过末级功率管放大以约60 W 功率输出，再经过环行器通过电缆输出到天线系统。天线接收的信号经过环行器3 端送到LNA，经LNA放大后由同轴电缆送到接收组件。

BITE 监控与电源控制部分设计，采用模块内置BITE，具备开关机及控保、通讯功能。每个子通道能够单独与系统监控通讯。针对性地保护发射机的关键器件。LNA 的电源控制采用单独的电路实现，确保与发射电源之间的隔离。一个收发前端模块通道实际上由八个相同的功能模块组成，其内部正视图，如图3 所示。

图3 收发前端模块内部正视图

散热设计利用了收发前端模块与接收模块之间形成的风道，采用了尽可能方便有效的散热措施，首先将收发前端模块与接收模块工作过程中产生的热量通过盖板导到盒体，利用散热翅片，将两个模块的热量一并带走。此种方式既不用额外增加风道、散热翅片和风机，很大程度减小了系统的重量，又保证了数字阵列模块的整体性，热分析的模块内部的最高温度为72℃，满足器件正常工作的温度范围。温度仿真示意图如图4 所示。

图4 温度仿真结果

2.2 接收组件

从功能上看，接收组件内部包括发射激励产生功能、超外差接收机功能、中频数字收发功能和高速大容量数据传输功能。发射激励部分用于产生发射机所需要的发射激励信号，将数字波形发生部分产生的含有波形代码的中频数字信号经过两次上变频并放大形成发射激励信号。超外差接收机是将来自低噪声放大器的预放大的回波信号经过两次下变频放大送至中频数字化接收机，在中频数字收发板经过数模转换和预处理，多通道数据融合后调制在光信号上，经过光纤送至信号处理分机。

接收组件内部组成框图如图5 所示。

接收模块共八个通道，结构布局上，正面上方布置为八个上下两次变频通道，下方布置为中频数字收发，整个通道的信号传输全部在正面完成，模块背面布置为变频通道所需的一、二本振功分器，数字板需要的时钟，分布式电源，接收组件布局图如图6 所示。

发射激励通道与超外差接收机通道虽然实现的功能完全不同，一个是两次上变频，一个是两次下变频，但是其工作频率完全相同，系统通道数较多，如果能将上变频与下变频通道融合设计，可以大大减少器件数量和成本，为此，特设计为上下变频共用混频器和滤波器，这样既简化了电路结构，实现的性能与单通道也无异。共用混频滤波器这种方式，放大器采用分立式单片放大器，混频器采用双平衡混频器，采用开关进行收发通道之间的切换。上下两次变频通道电路框图如图8 所示。

图8 上下两次变频通道电路框图［6］

对于上变频激励通道，只要保证输出功率能够达到要求，同时能够兼顾相位、杂散、寄生调制和对改善因子的限制等指标，对增益的分配就相对比较简单，对于下变频通道，主要兼顾到接收机的灵敏度和大信号时的增益分配。

中频数字收发部分完成数字与模拟信号的相互转换，其中接收时完成模拟信号到数字信号的转换，发射时完成数字信号到模拟信号的转换，并将基带信息调制到模拟信号上，接收回来的多通道的大容量数据通过FPGA 进行运算处理经过内置的TRANSCEIVER 模块，和光纤模块直接互联，完成光电转换的过程。

C 波段数字阵列模块实物图如图9 所示。

图9 C 波段数字阵列模块实物图

3 测试情况

数字阵列模块中通道数量多，在电路中设置较多的测试端口是不现实的，需要测试的参数和指标多，涉及数字和模拟两大领域，如果采用常规的手动，维修和测试的效率将是十分低下而不能容忍的。为了提高测试速度和精度，提高效率，需要同步研制自动测试系统。基本思路是利用该数字阵列模块的测试可以从以下两个方面:

(1)在分机工作时，通过控制仪表的GPIB 接口，结合计算机编制专用控制软件和时序软件，利用数字阵列模块中FPGA 的编程端口，基于虚拟仪表技术对光纤传送数据进行数据处理分析。测试平台如图10 所示。

图10 C 波段数字阵列模块测试平台

(2)在整机工作时，充分利用整机系统中的校正网络。在系统中设置一个校正/测试信号源和一个校正/测试接收机，通过校正来判断接收通道/发射功率是否正常。校正网络耦合度太低，可能使接收测试信号的信噪比过小，建议采用分行/列，矩阵开关的方式进行校正/测试。

该C 波段数字阵列模块部分指标的测试结果如图11 ～图13 所示。

C 波段数字阵列模块达到的技术指标如下。

· 单模块通道数:8 个T/R 通道;

· 模块尺寸:350 mm×240 mm×30 mm;

· 模块重量:17.5 kg;

· 中频带宽:10 MHz;

· 系统动态范围:≥60 dB;

· 镜像抑制度:≥50 dB;

· 最大占空比:20%;

· 单路输出峰值功率:≥50 W;

4 前景展望

该C 波段数字阵列模块的成功研制，满足了该频段的数字阵列雷达的使用需求，经过对测试结果的对比分析，该数字阵列模块各项指标均达到预期的设计目标。

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［6］刘晓政. 集成化DAM 变频电路设计［J］.雷达科学与技术，2008(12):492-495.