一种基于无人机平台的双频段小型化接收机设计*

刘秉策，周凤艳

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)



一种基于无人机平台的双频段小型化接收机设计*

刘秉策**，周凤艳

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

摘要：针对应用于无人机平台的多频段多模式小型化接收机需求,给出了一种X/L双频段多带宽小型化接收机设计方案，采用多芯片微组装工艺实现。该设计解决了接收机在不同频段下窄带信号和宽带信号的波形激励和接收通道硬件共用问题,重点突破了宽带波形产生和宽带直接解调接收等关键技术,相比较传统的无人机载雷达接收机来说，具有多模式工作、大信号带宽处理能力和高集成度的特点，能够满足宽带成像和窄带探测的需求。

关键词：无人机平台；小型化接收机；宽带波形产生；宽带直接解调；多芯片微组装

1引言

现代战争是高科技信息化战争，对无人机的需求和应用范围与日剧增。受到无人机载机平台硬件资源条件和体积重量的制约，能够多模式工作、具有大带宽信号处理能力的小型化无人机载雷达接收机的设计和研究工作受到了越来越多的重视。为了适应多频段多模式的无人机载雷达接收机设计发展的需求,本文设计实现了一种X/L双频段多带宽小型化无人机载雷达接收机。首先给出该接收机系统设计方法及X/L双频段波形激励通道和接收通道的共用硬件解决思路，接着介绍了宽带波形激励产生和宽带直接解调接收等关键技术具体实现和相关的电路设计，最后介绍了利用多芯片微组装工艺实现的小型化高集成度接收机实物及其相关的测试达到指标。据笔者所知，目前大部分的无人机载雷达接收机设计的相关报道集中于单一频段和固定带宽[1-2]，而类似本文设计的相关报道国内尚未见文献公开发表。目前，根据外场的联试结果来看，该设计在无人机载平台上应用的条件已经成熟。

2系统设计

X/L双频段接收机的结构框图如图1所示。系统主要包含以下几个部分： 波形激励通道、接收通道、频率源、A/D等。波形激励通道主要是产生宽带/窄带线性调频信号,为雷达成像、探测提供高质量的波形。接收通道主要是完成来自双频段天线的X频段频带内瞬时带宽100 MHz/200 MHz/500 MHz/1 000 MHz和L频段频带内瞬时带宽100 MHz/200 MHz回波处理。波形输出利用激励开关分时切换到X/L频段发射激励通道；X频段发射激励通道采用数字直读、结合二倍频及上变频，实现最高1 000 MHz带宽的X频段宽带线性调频激励信号产生；L频段发射激励通道采用数字直读实现L频段宽带线性调频激励信号产生；综合考虑到可实现性和接收机性能指标，L和X频段接收通道分别采用二次变频和一次变频的方式统一搬移到固定S频段高中频，X/L两个频段分时共用正交解调模块和数字采集模块。采用开关滤波组件进行频率和带宽选择后进行宽带直接解调，实现了射频开关滤波、射频信号I/Q基带解调共用。该接收系统的主要特点是宽带成像数据通道及窄带探测通道并存复用,高稳定的频率源和宽带激励信号产生。

图1　X/L双频段接收机组成示意图

2.1接收通道灵敏度和动态设计

按照传统的经典定义，对接收机而言，雷达能够检测到的最小信号能量是在信号带宽内，常温下等效到接收机输入端的白噪声功率电平Smin(此时，接收机输出端的信噪比为1)，其值为

Smin=-114+10lg(BW)+NF。

(1)

式中：BW为信号带宽；NF为接收机的噪声系数。级联后的系统噪声系数的公式为[3]

(2)

式中：NF1和G1为前级低噪放的噪声系数和增益;NFi和Gi为后第i级链路的影响。 按系统要求取X频段通道的噪声系数为7 dB和L频段通道的噪声系数为6 dB，L、X频段通道总动态要求60 dB，其中满足瞬时动态大于40 dB，计算出对于X频段接收通道不同处理带宽：

(1)当系统NF取7.0 dB、带宽为1 000 MHz时，算得Smin=-77 dBm；

(2)当系统NF取7.0 dB、带宽为100 MHz时，算得Smin=-87 dBm；

对于L频段接收通道不同处理带宽：

(1)当系统NF取6.0 dB、带宽为200 MHz时，算得Smin=-85 dBm；

(2)当系统NF取6.0 dB、带宽为100 MHz时，算得Smin=-88 dBm。

由于系统采用10位A/D转换器，在实际使用中按-3 dBm考虑其最大输入功率(50 Ω负载)：

(1)X频段接收通道总增益为G=-3 dBm-(-77 dBm+40 dB)+1=35 dB(最大带宽增益)；

(2)X频段接收通道总增益为G=-3 dBm-(-87 dBm+40 dB)+1=45 dB(最小带宽增益)；

(3)L频段接收通道总增益为G=-3 dBm-(-85 dBm+40 dB)+1=46 dB(最大带宽增益)；

(4)L频段接收通道总增益为G=-3 dBm-(-88 dBm+40 dB)+1=49 dB(最小带宽增益)。

链路设计要考虑不同带宽切换对系统灵敏度和动态带来的影响，从上面计算可知最大工作带宽和最小工作带宽下X频段链路增益相差10 dB,L频段相差3 dB。链路增益设计时取最小带宽增益，当切换到大带宽时，使用链路内的数控衰减器对增益进行衰减避免链路进入饱和状态。放大链路设计时，用来进行增益补偿的数控衰减器前的放大器要选择具有合适的P-1值，同时考虑到链路切换到大带宽时通道增益降低带来的噪声系数影响，要合理配置前级低噪放增益。

综合上述考虑，将接收链路切分成两部分，X、L频段收发前端单元内分别设计接收链路增益为25 dB和26 dB，噪声系数分别为3 dB和2.5 dB,内置20 dB AGC进行瞬时动态的扩展，接收混频通道部设计增益分别为X频段20 dB和L频段23 dB。该增益内置15.5 dB，步进0.5 dB数控衰减器补偿宽窄带切换带来的增益变化。由于前级增益较高，通过式(2)计算可知，带宽切换带来的增益变化对系统的噪声变化影响很小。

2.2接收通道与A/D接口设计

A/D变换器是影响接收机性能的重要因素之一，在链路设计时必须仔细考虑。A/D变换器的有效分辨率制约着接收机的动态范围，而量化噪声影响接收机的灵敏度。通常将A/D变换器看成是一个附加噪声源，通过计算出接收机与A/D变换器的组合噪声系数，根据组合噪声系数的变化来衡量A/D量化噪声对灵敏度的影响。由经典的噪声系数定义，可推导出系统组合噪声系数FS为[3]

(3)

取对数形式，则有

NFS=NF+10lg(M+1)-10lgM。

式中：M为接收机的输出噪声功率与A/D变换器的量化噪声功率的比值；F、NF为接收机自身的噪声系数。由上述公式可知，M值越大，A/D的量化噪声对接收机与A/D组合后的总噪声系数的影响就越小。接收通道至A/D接口的噪声功率为Smin=-77 dBm+45 dB(取最小带宽增益)=-32 dBm(X频段)；Smin= -88 dBm+49 dB(取最小带宽增益)=-39 dBm(L频段)。

此时估算接收系统的总噪声系数(包括A/D)如下：对于宽带支路，根据系统要求和目前高速ADC的器件水平，本方案中选取A/D变换器为EV10AQ190(10位)，满刻度输入信号电平是500 mVp-p，因此，A/D的量化分层电平是：Q=500/210≈0.49 mV，换算成50 Ω下的功率电平为-62 dBm，考虑A/D器件在实际应用中的水平和实测结果，取A/D噪底为-55 dBm计算，信号的噪声系数恶化为10lgM=-39-(-55)=14 dB,M=25。

由式(3)可得

NFS=NF+10lg(M+1)-10lgM=NF+0.15 dB。

因此，A/D量化噪声较小，对系统影响很小。双频段接收通道实现框图如图2所示。

图2　双频段接收通道实现框图

2.3宽带直接解调设计

数字中频直接采样、数字滤波器分离I、Q信号是实现正交解调的一种极具吸引力的方法之一。由于本系统最大瞬时带宽达到1 000 MHz，直接S频段中频数字化要满足系统性能指标存在较大的难度和风险。直接解调方式可将回波信号搬移到基区，处理带宽降低一半，并保留了信号幅度和相位信息，同时解决单个相位检波器存在的盲相和无法识别目标多普勒速度方向，因此在现代雷达中已被广泛采用。本案中采用直接解调的方式将回波信号搬移到基区，降低带宽再做数字I/Q。

直接解调器基本工作原理是输入信号经0°功分器分别与经90°功分器的两路相干本振信号进行相位检波，并进行低通滤波和放大，抑制泄漏和交调的高频分量。产生两路互为正交的零中频信号，即同相I信号和正交Q信号。由于功分网络移相精度的限制和电路的不对称性，特别是滤波器的幅相不一致性，将造成I、Q信号的幅相不平衡，影响雷达系统性能。工程实现时，大相对带宽直接正交解调往往更难以实现，为了解决上述弊端，解调器选择在高中频S频段实现,降低了相对带宽,减少了实现的难度。具体实现上采用了高性能集成宽带解调器芯片(芯片内部集成了功分移相网络)并结合具有高幅相一致性开关匹配低通滤波器组实现宽带I、Q处理。

为了满足后级数字采样的动态需求，该宽带正交解调器需有较大的动态范围，基带也必须采用具有大信号输出能力的宽带运算放大器。前期实验表明，宽带运算放大器工作在高增益下带宽内的增益平坦度将恶化显著，在设计时要使用若干级低增益宽带运算放大器级联方式以实现带内平坦度要求。需注意的是，对于宽带正交解调器,I/Q 解调器与AD之间的连接电缆的不一致性会产生较大的相位误差,需严格配对。

2.4波形激励通道设计

系统的工作带宽为X频段频带内100 MHz/200 MHz/500 MHz/1 000 MHz和L频段频带内瞬时带宽100 MHz/200 MHz，可同时完成探测与成像功能。对波形产生和发射激励通道来说，窄带工作与宽带工作可统一设计。工作在L频段时，采用DDS直读产生需要的信号频率和带宽；工作在X频段时，窄带和宽带共用通道，将DDS直读产生的L频段的信号通过倍频再上变频的方式产生不同带宽的X频段激励信号。基于DDS的波形产生方法可以直接使用具有DDS功能的ASIC芯片或基于FPGA+DAC的方式来实现，该方法可以通过事先测量激励通道的失真来进行波形的预失真补偿(但不能实时补偿由于温度等变化造成的失真)来获得较好的波形输出，可以实现成像雷达需要的任意波形的实时产生。常规DDS功能框图如图3所示，包括频率调制、相位累加和调制、相位幅度转换、逆SINC补偿、幅度调制等几个部分。

图3　 DDS原理功能框图

由于系统设计的最宽工作波形要求达到X频段1 000 MHz，考虑实现难度和性能指标，采用直接输出L频段、带宽500 MHz的中频信号，再通过模拟二倍频的方式获得1 000 MHz的宽带信号再上变频到X频段。激励通道设计的框图如图4所示。

图4　宽带上变频实现框图

通常混频会产生较多的非线性产物，再次倍频会导致输出激励信号杂散的急剧恶化。因此，激励链路设计时采用先二倍频再上变混频的方式，尽可能减少杂散对激励信号的影响。由于倍频器对输入信号的功率电平和谐波敏感，要达到较好带内平坦度和谐波抑制效果要优化倍频器前放大链路设计，设定合适的输入功率电平，同时在倍频器前要采用低通滤波器的设计，消除前级放大器自身谐波对倍频器的影响。

2.5频率合成器设计

频率合成器是电子设备中极为重要的组成部分，对于高频跳频本振源来说，直接合成体积过于庞大，不适合无人机载平台。为了减少体积和重量，采取样锁相的方法实现。如图5所示，将100 MHz晶振通过倍频和取样锁相直接产生多个高频本振信号，通过对本振信号和时钟信号指标的分析，通过选取适合的滤波器和合理的印制板电路布局，能够确保杂散抑制优于60 dBc。

图5　频率源实现框图

针对相位噪声指标要求，选用适合的晶体振荡器,其相噪指标典型值为Lφi[4]：

由于工作于机载平台要考虑随机振动对相噪的影响。在随机振动条件下,晶振相位噪声几乎与其静态相位噪声无关,其相噪的功率谱密度分布如式(4)所示[4]：

(4)

式中:G(f)(g2/Hz)为晶体振荡器感受到的振动功率谱密度；S为晶振加速度灵敏度；f0为晶振的静态频率；fa为随机振动谱频率下限;fb为随机振动谱频率上限；f为振动频率。

在系统规定的振动条件下，100 MHz的晶体振荡器在1 kHz处的相位噪声约为-120 dBc/Hz,较静态恶化约30 dB。通过以上分析可知振动对源的影响十分严重。由式(4)看出可以通过降低G(f)来提高振动条件下晶振的相噪。机载雷达频率合成器设计重点之一是降低等效的G(f)，以往成熟机载产品的工程应用中往往通过加多级减振器来实现。由于受限于平台体积，系统设计内部空间小，对体积有很严格的要求，无法完全借用该经验来实现减振。因此，针对无人机载平台的特殊性,本文将本振源采用一体化设计和双重隔振直接设计为一个可更换单元,并结合多种辅助抗振措施。

首先,电路设计上考虑采用抗振晶振。目前国内恒温低相噪抗振晶振，振动条件下，1 kHz处相位噪声较静态恶化在10 dB以内，相对于常规的非抗振晶振，恶化情况大为好转[2]。元器件采用SMT安装,最大限度采用印制导线和印制电感。其次,在结构设计上，采用在盖板与盒体之间安置弹性屏蔽条(具有屏蔽抗振双重效果)、螺钉固定处加螺纹剂等,保证一体化单元内部共振频率远高于振动频率上限，消除载机随机振动谱宽内的局部共振点。在接插件和安装孔的地方进行局部加固、增加钢丝镙套。通过上述措施，能够较好地解决载机平台的宽频随机振动和有效载荷有限等问题。其振动环境下的相位噪声较无隔振设计有较大改善,相噪恶化能够控制在3 dB内,频率稳定度接近10-11/ms。

3接收机小型化设计

以前针对单元电路的集成如微波放大器、滤波器、开关、混频器等难以满足机载平台对接收机小型化、集成化的要求，在本文的设计中通过采用单片GaAs集成电路、MEMS滤波器和微型封装的表面贴装器件，利用先进的多芯片微组装技术和封装工艺组装技术将X、L 两个频段的接收链路和激励链路分别进行集成设计，通过仿真优化设计解决了组件链路电路的电性能及空间分配、电磁兼容、散热等方面的问题。

电路集成设计时由于芯片密度大、通道增益高、大小信号之间、高频与低频信号之间极易产生相互干扰，所以组件采用双面腔体设计方式，在电路设计中将低噪声放大器的馈电与后面电路相互隔离，在各个放大器的馈电口添加滤波电路避免微波信号顺着供电回路相互干扰。同时合理布局，将大信号与小信号分开，尽量离得远些，高频与低频信号用地隔开，合理地设计腔体高度和器件排布避免自激振荡发生。放大器与滤波器、放大器与放大器之间避免直接级联，中间串接3 dB电阻衰减网络芯片改善驻波牵引现象，优化带内平坦度。图6分别是X/L接收通道和激励通道实物图,每个组件包含X、L两个频段通道，其中接收通道体积为110 mm×78 mm×20 mm，激励通道体积为67 mm×79 mm×20 mm。相比于传统的分立器件设计体积大大缩小[1-2]。

图6　采用多芯片微组装工艺设计的X/L

4测试结果

根据无人机载平台环控条件，工作温度-40℃ ～50℃内以10℃为步进，使用矢量网络分析仪和频谱仪进行接收机指标测试，给出了所设计的双频段多带宽小型化无人机载雷达接收机达到的主要技术指标。

(1)接收

镜像抑制度：≥50 dB;

通道内I/Q不平衡度：幅度±1 dB，相位 ±5°；

增益:≥23 dB(X频段),≥25 dB(L频段);

带内起伏:≤2.5 dB@(X频段1 000 MHz带宽),≤1.5 dB@(L频段200 MHz带宽)。

(2)激励

输出功率：≥13 dBm(@输入波形-15 dBm)；

激励通道相位非线性优于15°;

带内起伏：≤2 dB@(X频段1 000 MHz带宽),≤1 dB@(L频段200 MHz带宽)。

根据外场系统联试和检飞的结果来看该接收机能够满足总体宽带成像和窄带探测的需要。

5结束语

本文介绍了一种X/L双频段多带宽小型化接收机设计方案，给出了较详细的系统设计思路和具体实现方式以及达到的技术指标。相比于传统的单一频段和固定带宽无人机载雷达接收机来说，设计实现的X/L双频段多带宽小型化接收机具有多模工作、大带宽处理能力和高集成的特点，能够较好地适应未来无人机载平台对多模小型化接收机的需求。本文设计具有一定的工程实用价值，对后续无人机载多频段多模式雷达接收机的设计有着借鉴意义。下一步的工作将进一步扩展多模小型化无人机载雷达接收机工作频率，实现P、L、X和Ku频段无人机常用工作频段全融合设计。

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Design of a Miniaturized Dual-band Receiver for UAV Platform

LIU Bingce,ZHOU Fengyan

(The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation(CETC),Hefei 230088,China )

Abstract：In order to meet the requirements of application on unmanned aerial vehicle(UAV) platform,a miniaturized design method for X/L dual-band and multiple bandwidths receiver using multi chip micro assembly process is described in this paper.The design scheme and realization method are introduced in detail.The key technologies such as the X / L dual band multi-bandwidth waveform excitation and receiving channel hardware sharing problem are solved,and the broadband waveform excitation and broadband direct demodulation technology is broken through.Compared with the conventional unmanned airborne radar receiver,this receiver has a multi-mode work function,a larger bandwidth processing ability and high integration level,which can satisfy the requirements of UAV-borne radar broadband imaging and narrowband detection.

Key words：UAV platform;miniaturized receiver;wideband waveform driver;wideband direct quadrature demodulation;multi-chip micro-assembly

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.006

收稿日期：2016-02-24；修回日期：2016-05-17Received date:2016-02-24；Revised date：2016-05-17

通信作者：liubingce@126.comCorresponding author：liubingce@126.com

中图分类号：TN821;TN927

文献标志码：A

文章编号：1001-893X(2016)06-0629-06

作者简介：

刘秉策(1981—)，男，安徽合肥人，2011年于中国科学技术大学获工学博士学位，现为高级工程师，主要研究方向为雷达接收机、微波组件和射频电路设计；

LIU Bingce was born in Hefei,Anhui Province,in 1981.He received the Ph.D. degree from University of Science and Technology of China in 2011.He is now a senior engineer.His research concerns radar receiver,microwave components and RF circuit design.

Email:liubingce@126.com

周凤艳(1962—)，女，贵州都匀人，现为研究员，主要从事雷达接收系统及微波电路的研制工作。

ZHOU Fengyan was born in Duyun,Guizhou Province,in 1962.She is now is now a senior engineer of professor.Her research concerns radar receiving system and microwave circuit.

引用格式：刘秉策，周凤艳.一种基于无人机平台的双频段小型化接收机设计[J].电讯技术，2016,56(6):629-634.[LIU Bingce,ZHOU Fengyan.Design of a miniaturized dual-band receiver for UAV platform[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):629-634.]