运动目标雷达回波信号模拟＊

2013-10-16吴建刚汪寅安

舰船电子工程 2013年2期

关键词：杂波变频端口

吴建刚黄敏汪寅安

（1.海军驻武汉三江航天集团军代室武汉 430040）（2.中国航天科工四院红峰公司孝感 432000）

1 引言

多普勒雷达根据运动目标的回波信号获取目标信息，为了对多普勒雷达系统性能方便进行测试，需要模拟运动目标的回波信号。

与发射信号（fc）相比，回波信号根据目标雷达截面积和距离变化，还会因为弹目相对运动产生多普勒频移（fd）。

其中多普勒频率为

式中：VR为弹目接近速度；λ为工作波长。

要实现运动目标回波信号模拟，多普勒信号的加载是其关键技术之一。

2 多普勒信号加载原理

多普勒信号的加载，其实质是频谱的搬移。混频器是常用的频谱搬移器件，其输入输出频率特性可以表示为

与载波相比，多普勒信号频率非常小，直接变频无法将差频与和频分开，因此本文采用多级变频方式实现多普勒信号加载。

首先采用数字方式将多普勒信号加载到频率较低的中频信号上，进行上变频，再作为射频信号的本振，经过多级变频解决了多普勒信号加载的问题。其原理框图如图1所示。

基带信号IF1与频率为fLO的本振上变频，作为1本振，另一路含有多普勒信号的基带信号IF2与频率为fLO的本振上变频作为2本振，射频输入信号（fc）与1本振下变频，再与2本振上变频，将多普勒信号加载到载波中。

图1 多普勒信号加载原理框图

IF1频率为fIF，IF2与IF1相比，增加多普勒频移fd，为fIF＋fd。

经过第一次变频，

1本振频率

2本振频率

射频输入信号fc与1本振下变频，再与2本振上变频，频率为

经过多次变频，将多普勒信号加载到载波中。

其频谱搬移过程如图2所示。中频IF1、IF2由DDS直接合成，受器件及成本限制，其频率较低，雷达载波信号fc频率往往很高，为了系统的可实现性，需要合理选择参数，尤其是本振频率。

图2 频谱搬移过程

1）本振fLO1中除了含有和频成分fLO＋fIF外，还有差频成份fLO－fIF，为了有效地滤除差频成份，要求fLO＋fIF与fLO－fIF有足够的相对频差。即相对频差Δf要足够大，这就要求fLO不能太高（相对Δf），但又不能太低，否则会导致1本振fLO1频率太低（相对于载波信号fc），与fc下变频无法有效滤除fc＋fLO1，甚至需要再增加变频级数才能实现。

综合考虑，可以参照以下关系选择参数：

因此，本振频率选择参考值为

1本振和2本振分别由中频信号经过上变频得到，由于存在变频损耗，因此需要增加一级放大以提供足够的本振功率。射频链路上根据输入和输出功率要求增加放大和衰减。

3 杂波及其抑制

实际选择本振频率，还要考虑器件非理性特性所产生的杂波影响。

实际的放大器是非线性的，输出信号v0与输入信号vi关系为

当输入信号为单频信号，输出信号中包含有高次谐波。放大器工作在线性区时，其谐波分量比较小，但当放大器处于饱和时，其输出中谐波分量明显增加，尤其是含有丰富的奇次谐波。

混频器输出除了含有和频和差频外，还会产生互调产物。混频器另一个重要特性是端口隔离，LO端口通常是大功率信号，会泄漏到RF和IF端口。处理不当，杂波可能会进入带内，对系统性能造成影响。对于选择合适的LO频率（或IF频率）需要权衡考虑。

为了分析本振信号经过放大器和混频器后可能产生的干扰，在没有射频输入的情况下，对各种频率成分进行分析。

f0经过放大器，由于非线性，输出有以下主要分量：f0、3f0、5f0，经过混频器，f0和各次谐波分量会泄漏到RF端和IF端，并且会产生这些频率成分与本振的混频产物。

泄漏到IF 端口：f0、3f0、5f0；

泄漏到RF 端口：f0、3f0、5f0；

RF与本振混频输出到IF 端口：f0±f0、3f0±f0、5f0±f0。

因此，IF端口（或RF端口）输出信号含有的频率成分为0、f0、2f0、3f0、4f0、5f0、6f0。

对于本系统第一级变频输出，fIF1（或fIF2，其频率与fIF1近似相等）与fLO上变频，作为二级变频的1本振fLO1（2本振fLO2），其输出会因本振泄漏产生的fLO，但其功率相对于1本振fLO1、2本振fLO2很小，对射频链路的影响较小。

第二级变频1本振信号频率fLO1比接收雷达载波信号频率fc低很多，1本振信号泄漏到输出端可以被有效地滤除，但其谐波可能会进入带内无法滤除，而且1本振需要有足够的驱动能力，因此增加了一级放大器，可能会产生丰富的谐波，泄漏到输出端产生杂波干扰。

在ADS对器件非理想特性建模，包括放大器的非线性特性以及混频器的隔离度根据实际器件参数进行建模，在没有射频输入信号的情况下进行谐波平衡仿真，仿真原理图见图3（a），仿真结果见图3（b），输出信号中出现各次谐波的组合成分，带内出现了一个杂波信号，其功率为－20dBm。

为了抑制可能存在的干扰，需要合理选择本振频率fLO，使fLO1各次谐波成分尽量远离fc和fc－fLO1，这样，选频滤波器可以有效地将杂波滤除。即：

因此，取

本振频率：

由上一节得出的fLO参考值

fc雷达工作频率时确定的，中频频率IF由DDS决定，n为正整数，因此，n是可以确定的。据此选择本振频率，可以有效地降低杂波信号。根据公式，对本振频率进行调整，在此仿真，仿真结果见图4。调整本振频率后，信号带内杂波功率小于－70dB，全频带内杂波功率小于－60dBm（取决于滤波器带外抑制特性）。

图4 仿真结果

要让所有频率成分都远离中频和射频信号中心频率有时是困难的，本系统本振频率较低（相对于射频频率），其可能落在中频和射频信号带内的频率成分主要是高次谐波。放大器工作在饱和状态会产生明显的高次谐波，因此，在保证1本振（和2本振）功率足够的情况下，尽量小。合理选择本振驱动放大器参数和输入中频信号（IF1、IF2）功率是减小高次谐波的关键。

射频链路上增益分配也会对杂波有影响，变频之前放大模块只对信号放大，不对杂波放大，变频之后的放大模块除了对信号放大外，还会对杂波进行放大，但变频之前增益过大会造成变频器饱和，产生新的问题，需要综合考虑合理分配增益。在各模块不饱和的情况下，将增益较多的分配在前级，可以有效降低杂波信号的干扰。