一种X波段船舶导航雷达射频接收机设计

徐江山，陈振华，金 鑫，葛俊祥

(1. 南京信息工程大学 江苏省气象传感网技术工程中心, 南京 210044)(2. 南京信大电子科技有限公司， 南京 210061)

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一种X波段船舶导航雷达射频接收机设计

徐江山1，2，陈振华1，金 鑫1，葛俊祥1，2

(1. 南京信息工程大学 江苏省气象传感网技术工程中心, 南京 210044)(2. 南京信大电子科技有限公司， 南京 210061)

根据一种X波段船舶导航雷达的总体技术指标，研制了一款与之配套的低噪声镜像抑制射频前端接收机。整个接收机由限幅、低噪声放大、镜像抑制混频三个主要功能模块构成。在研制过程中采取由独立到集成的研制思路，在每个独立模块的性能经测试符合技术指标的基础上再进行整个接收机的集成设计及实验测试，给出了接收机的噪声及链路增益测试曲线。测试结果表明：该射频接收机在9.36 GHz～9.46 GHz频率范围内具有3.6 dB的噪声系数及2.5 dB的链路增益，镜像抑制度达到30 dB，各项性能指标均满足船舶导航雷达使用要求。整个前端模块体积小、成本低，适合民用领域的规模化生产。

X波段；导航雷达；接收机；低噪声；镜像抑制

0 引 言

船舶导航雷达是船舶安全航行的重要保障，但目前国内船舶导航雷达国产化率相对较低，主要依靠进口，如：日本的古野、JRC等。射频接收机作为雷达前端的重要组成部分，它的主要功能是在大动态范围内实现回波信号从射频到中频的转换以适应后端的信号处理。因此，自主研发设计一台性价比较高的船舶导航雷达射频接收机就有较强的现实意义。如今，船舶导航雷达射频接收机前端方面也出现了许多新的技术[1]，新技术的应用大大地提高了射频接收机的性能。

本文提出的X波段船舶导航雷达射频接收机根据雷达总体性能要求进行技术指标的分配，以动态范围大、噪声系数小、镜像抑制度高为研制目标，在研制过程中结合成本控制，在性能与成本之间进行折中考虑，以期研制出性能合格、成本低廉，适合在民用市场大规模推广的雷达射频接收机。实验结果表明：所研制的接收机性能参数满足设计指标要求。

1 射频接收机设计

1.1 技术指标及设计方案

本船舶导航雷达工作在X波段，单脉冲体制，中心频率为9.41 GHz，带宽为60 MHz，输出中频频率为60 MHz。为了满足船舶导航雷达的使用，综合考虑成本、性能等因素，提出了本射频接收机的设计指标：

噪声系数：小于4 dB

前端增益：大于2 dB

镜像抑制度：大于20 dB

灵敏度：优于-95 dBm

动态范围：大于80 dB

综合考虑动态范围、灵敏度、小型化和线性度的要求，本文采用一级变频的超外差结构来对射频前端接收机进行设计[2]。整个射频接收机系统主要由限幅、低噪声放大、镜像抑制混频三个主要功能模块构成[3]。为尽可能降低成本，选择价格较为便宜的0.4 mm厚FR4板材作为整个射频接收机的基板。射频接收机系统框图如图1所示。

图1 射频接收机系统框图

限幅器主要是用来抑制大强度干扰信号对接收机的冲击，防止其进入射频接收机烧毁其他微波器件。天线接收到的微弱射频信号经过限幅器后进入低噪声放大器，以最大程度地减少本地噪声的引入。考虑到镜频信号与本振信号相距较近，如果在混频前使用滤波器进行滤除难度较大，所以本文使用了镜像抑制混频的方案，在实现滤除镜频信号的同时还可以减小损耗。

1.2 限幅器的选择

限幅器作为一种重要的微波控制器件已被广泛应用于雷达接收系统中。它在接收雷达回波小信号时，对信号本身仅会产生非常低的损耗；而当有较强信号功率进入时，限幅器将会对该信号产生很大的衰减以保护后级器件的安全[4]。

本系统对限幅器的指标要求为：在X波段，小信号插入损耗小于0.5 dB，限幅电平为15 dBm；在频率为9.41 GHz、脉宽为0.8 μs、占空比为0.48‰的情况下能承受的最大脉冲功率为50 dBm。

基于指标要求，本文选取了Macom公司生产的某型号限幅二极管。该型号限幅二极管采用TDFN封装，价格低廉，性能良好，便于焊装。

为了承受峰值50 dBm的功率冲击，采用两级限幅器级联的布局，逐级限幅，以保证器件的安全。

1.3 低噪声放大器的设计

本文选用Eudyna公司生产的FH40LG型号晶体管来对低噪声放大器进行设计，该晶体管噪声系数小、增益大，只需采用一级结构就能满足系统设计要求，大大减小了系统的成本和体积。本文低噪声放大器设计指标为：工作频率9.36 GHz～9.46 GHz，噪声系数小于1.5 dB，增益大于13 dB。低噪声放大器原理图，如图2所示。

图2 低噪声放大器原理图

对于单级低噪声放大器而言，其噪声系数计算公式为

(1)

式中:Fmin为晶体管最小噪声系数，由晶体管自身决定；Γopt、Rn和Γs分别为获得最小噪声系数时的源反射系数、晶体管等效噪声电阻和晶体管输入端的源反射系数。低噪声放大器的输入匹配网络采用最小噪声系数匹配。当Γs=Γopt时，低噪声放大器的噪声系数最小[5]。

在低噪声放大器的设计中，通常定义增益为负载吸收的平均功率与信号源最大资用功率的比值，即

(2)

式中：PL为负载吸收的平均功率；Ps为信号源最大资用功率。输出匹配网络一般采用共轭匹配以获得较大增益。

为了获得良好的噪声性能，低噪声放大器(LNA)采用双电源对晶体管进行供电，以稳定静态工作点；用0.1 mm的高阻线进行馈电，并在枝节上加90°微带扇形线对射频信号等效开路。低噪声放大器实物，如图3所示。

图3 低噪声放大器实物

使用Agilent N8975A型号噪声系数分析仪对LNA的增益和噪声系数进行测量，实测结果如图4所示。

图4 低噪声放大器实测结果

实测结果表明：低噪声放大器在中心频点9.41 GHz处100 MHz带宽内，增益G优于13 dB，噪声系数nf小于1.5 dB。

1.4 镜像抑制混频器的设计

镜像抑制混频器采用低本振下变频方式，主要设计指标为：射频中心频率9.41 GHz，带宽60 MHz，输出中频频率60 MHz，射频功率范围-85 dBm～-5 dBm，镜频抑制度>20 dB，变频损耗<10 dB。

镜像抑制混频器包括两个单平衡混频器、一个微带环形电桥、一个3 dB定向耦合器和一个中频正交耦合器。混频二极管采用Avago HSMS-8202混频二极管对。镜像抑制混频器的原理框图如图1中虚线框内所示。

射频信号从定向耦合器的输入端口输入，本振信号从环形电桥输入端口输入。射频信号和镜频干扰信号输入3 dB定向耦合器，分别在两个单平衡混频器输入端口形成等幅正交的两组信号；本振信号通过环形电桥产生等幅同相的两组信号，分别驱动两个单平衡混频器；混频后输出的两路中频信号送入中频正交耦合器，经正交合成后输出所需要的中频信号，而镜频信息将被抑制。具体分析过程如下：

设有用的回波信号电压为

μs=2Usmcosωst

(3)

式中：Usm为回波信号电压峰值；ωs为射频信号频率。

本振信号为

μp=2Upmcosωpt

(4)

式中：Upm为本振信号电压峰值；ωp为本振信号频率。

镜频干扰信号为

μi=2Uimcosωit

(5)

式中：Uim为镜频信号电压峰值；ωi为镜频信号频率。

同时Up>Us，频率之间相互关系为

ωs-ωp=ωp-ωi=ωIF

(6)

式中：ωIF为中频信号频率。

所以加到两个单平衡混频器上的信号电压和本振电压分别为

(7)

(8)

(9)

(10)

由于混频二极管在本振信号激励下的非线性电导为

g1=g0+2g1cosωpt+2g2cos2ωpt+…

(11)

式中：g0、g1、g2为不同谐波下的电导。则当仅考虑基波混频时，两个单平衡混频器上的电流分别为当信号输入端馈入镜像干扰信号μi。

I1= 2g1cosωpt·Uimcosωit=

g1Uimcos(ωp-ωi)t+

g1Uimcos(ωp+ωi)t

(12)

I2= 2g1cosωpt·Uimcosωit=

(13)

可以看到：其中一个单平衡混频器的镜像中频电流相位滞后于另一个单平衡混频器，再经过中频正交耦合器90°相移，刚好反相抵消，从而输出有用的中频信号[6]。

1.4.1 环形电桥与3dB定向耦合器的设计

微带环形电桥主要用于本振信号的等幅正交分配，以驱动两个单平衡混频器。

3dB定向耦合器主要用于射频信号的分配，将射频信号平均分配给两个单平衡混频器，两个射频信号相位相差90°。此外单平衡混频器的设计中也用到了3dB定向耦合器。

本文在HFSS软件中对微带环形电桥和3dB定向耦合器进行了建模、仿真并优化。

1.4.2 低通滤波器的设计

单平衡混频器中的低通滤波器主要用于对泄漏到中频输出端的本振信号和射频信号以及它们的谐波信号进行抑制。本设计中的低通滤波器采用CMRC低通滤波器，CMRC低通滤波器具有宽阻带、高抑制度、体积小的特点。从仿真和实测结果也看出：CMRC低通滤波器使镜频抑制和各端口隔离度都得到较大改善[7-8]。CMRC低通滤波器实测结果如图5所示。

图5 CMRC低通滤波器实测结果实物图

实测结果显示，该低通滤波器在60MHz处插入损耗S(2,1)小于0.1 dB，在9 GHz～30 GHz的频带内抑制度优于20 dB，可以对泄漏到中频输出端的本振信号、射频信号以及它们的谐波信号进行很好地抑制。

1.4.3 中频正交耦合器的设计

由于中频正交耦合器输出为中频，如果采用分布参数或者半集总参数型的中频正交耦合器进行设计的话体积太大。因此，本文采用了集总元件的支线耦合器[9]。中频正交耦合器结构图如图6所示。

图6 中频正交耦合器结构图

仿真设计得到：在60 MHz处，2、3端口相位差为90°，插入损耗小于0.1 dB，回波损耗小于-20 dB。

中频正交耦合器实物如图7虚线框部分所示，用Agilent N5183A信号源从2端口输入60 MHz的中频信号，5端口和7端口输出信号通过示波器予以显示，实测结果如图8所示。

图7 镜像抑制混频器

从实测结果可以看出：两路信号相位相差90°，振幅基本一致，满足设计使用要求。

1.4.4 镜像抑制混频器设计

各部分电路设计完成以后，对镜像抑制混频器版图进行了绘制和加工，实物如图7所示。图中1为射频信号输入端口，2为中频信号输出端口，3为本振输入端口，4、6分别用同轴线与5、7相连。

图8 中频正交耦合器实测结果

使用Agilent N5183A和E8267D信号源分别从1端口和3端口输入射频信号和本振信号，2端口输出的中频信号通过AV4037MC频谱分析仪获取。镜像抑制混频器的变频损耗与镜像抑制度实测结果，如图9所示。

图9 镜像抑制混频器实测结果

实测结果可以看出：本文设计的镜像抑制混频器在中心频点处100 MHz带宽内，射频信号变频损耗LR在10 dB以内，镜频信号变频损耗LS大于35 dB，镜像抑制度α优于25 dB。

2 实验结果

完成系统仿真设计后，对电路板进行绘制加工，射频接收机实物如图10所示。图中各部分连接方式与图7相同。

图10 射频接收机

采用与测试镜像抑制混频器变频损耗与镜像抑制度相同的方法测试射频接收机的增益与镜像抑制度，实测结果如图11a)所示。使用Agilent N8975A噪声系数分析仪对射频接收机的噪声系数进行测量，实测结果如图11b)所示。

图11 射频接收机实测结果

实测结果可以看出：整个射频接收机增益G大于2.5 dB；镜像抑制度αm优于30 dB，整个射频接收机镜像抑制度相比于图9中镜像抑制混频器的抑制度有5 dB的改善，主要是因为本设计的低噪声放大器的带宽较窄；噪声系数nf小于3.6 dB。射频接收机模块能够较好地将射频信号转换成易于处理的中频信号。

3 结束语

本文完成了X波段船舶导航雷达射频前端接收机的设计、加工与测试，从测试结果可以看出：整个射频前端接收机性能符合技术指标要求，成本低廉，能够满足X波段船舶导航雷达的使用需求。

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徐江山 男， 1990年生，硕士研究生。研究方向为微波射频电路。

陈振华 男， 1984年生，博士，讲师。研究方向为微波毫米波电路与系统。

金 鑫 男，1994年生，本科。研究方向为电路测试。

葛俊祥 男，1960年生，教授，博士生导师。研究方向为雷达系统、微波毫米波与天线技术、电磁散射与绕射理论。

Design of an X-band Marine Navigation Radar RF Receiver

XU Jiangshan1,2，CHEN Zhenhua1，JIN Xin1，GE Junxiang1,2

(1. Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China) (2. Nanjing Xinda Electronic Technology Company Limited, Nanjing 210061, China)

An X-band low noise RF receiver with image rejection characteristic is developed in this paper according to the overall technical indicators of marine navigation radar. Three function modules, limiter, low noise amplifier, image-rejection mixer, are included in the proposed receiver. In the process of development, a discrete-to-integrated development scheme is adopted. The integrated design and test of the whole receiver are completed on the basis that the performance of each discrete module is in accordance with technology index. The measured noise figure and gain of the developed receiver are given in this paper. In the 9.36 GHz～9.46 GHz band, the noise figure of 3.6 dB is achieved and the gain is 2.5 dB. The image rejection is greater than 30 dB. The test results show that the developed RF receiver can fully meet the requirements of the marine navigation radar. The whole receiver module is compact, with low-cost and is suitable for mass production of civilian areas.

X-band; navigation radar; receiver; low noise; image rejection

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.04.016

江苏省信息与通信工程优势学科(二期)基金资助；2013年江苏省科技型企业技术创新资金项目(BC2013031)；2014年大学生实践创新训练计划(201410300241C)

葛俊祥 Email：jxge@nuist.edu.cn

2015-11-17

2016-01-08

TN722.3

A

1004-7859(2016)04-0068-05