一种UHF波段8通道数字阵列模块设计

胡善祥 王 强 高 菡 伍小保 朱文松 王 冰

(中国电子科技集团公司第三十八研究所合肥 230088)

接收发射技术

一种UHF波段8通道数字阵列模块设计

胡善祥 王 强 高 菡 伍小保 朱文松 王 冰

(中国电子科技集团公司第三十八研究所合肥 230088)

介绍了采用高精度数字延时补偿和一次有源混频方式的UHF波段8通道数字阵列模块，其内部集成8个相互独立的模拟收发通道、8通道数字接收、8通道数字波形产生，以及本振功分器、时钟分配器、分布式电源、数据传输和光电转换等部分，其单通道发射输出脉冲峰值功率大于180W，脉内信噪比大于55dB，脉冲顶降小于1dB，接收噪声系数小于2.0dB，接收信噪比大于55dB，通道间隔离度大于30dB。该数字阵列模块集成度高、接口简洁、性能稳定、环境适应能力强、可靠性高，现已批量应用于某远程预警相控阵雷达。

数字阵列模块;UHF波段;数字阵列雷达;数字收发

0 引 言

数字阵列模块(DAM)是采用集成化和数字化技术，将射频收发单元、本振功分单元、中频数字收发单元、分布式电源、集中式电源、分布式参考源等功能电路整合并一体化设计，完成雷达数字化收发、数据预处理及数据传输功能的新型多通道收发模块，数字阵列模块是数字阵列雷达(DAR)的基本单元，它的体积、重量、成本、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［1－3］。本文介绍的DAM包含8个相互独立的模拟收发通道、8通道数字接收机、8通道数字波形产生，以及本振功分器、时钟分配器、分布式电源、数据传输和光电转换等部分;具有多通道高密度集成、全数字收发一体、紧凑的三维布局、接口简洁、环境适应能力强等技术特点，在防空、反导、预警雷达等领域具有广泛的应用前景。

1 DAM设计与分析

数字阵列雷达不仅具有常规相控阵雷达的所有优良性能，同时具有更大的波束调度灵活性、更好的抗有源干扰性能，数字阵列雷达的发展需要高性能、高集成、低成本的DAM，本DAM的设计采用模块化、集成化的设计思路，将8个基本收发通道单元采用紧凑的三维结构布局方式构造成一个DAM。该DAM有8个独立的收发模拟通道;数字接收和数字波形产生8通道一体化设计，共用一个PCB板;上下变频所需的本振信号由一根电缆输入，然后功分到8个通道;基准时钟、DDS采样时钟和ADC?采样时钟由一根电缆输入，在DAM内部实现分路;电源采用集中28V输入，在DAM内部完成DC/DC变换。结构布局上，DAM正面为8路模拟收发通道，背面为分配网络与数字收发板，中间为散热水道。UHF波段8通道DAM组成框图如图1所示。

图1 UHF波段8通道DAM组成框图

其中由小型化的发射功率模块、限幅低噪声放大模块、一次有源混频模块组成的模拟收发通道与一体化数字收发为该DAM的核心组成部分，下面将对每个核心功能单元的具体设计进行阐述。

(1)小型化的发射功率模块

发射功率模块由三级放大链路组成，末级采用国产的200WLDMOS功率管，通过三维立体布局、优化匹配电路，设计高增益、小型化的固态功率模块。发射功率模块的尺寸为60mm×40mm× 16mm，具有体积小、可靠性高、易维修、低成本等优点。

功率模块具有控制、保护功能，可以实现遥控开关机，每路可以单独控制。在接收工作期间，功率模块各级放大器处于关断状态，提高收发环路稳定性的同时保证了接收通道的噪声电平稳定;在发射正常工作状态，送出发射功率是否低于门限值的脉冲指示信号。发射功率模块的主要技术指标为:

①工作频率:UHF波段

②输出功率:≥200W

③脉冲顶降:≤1.0dB

④最大脉宽:≥15ms

⑤最大工作占空比:≥33%

(2)限幅低噪声放大模块

DAM发射通道输出功率大于180W，由于天线阵面分布大量的收发组件，雷达工作时进行电扫描，以及存在其它电磁反射现象，在天线阵面上工作的限幅低噪声放大器的耐功率要远大于180W;为提高可靠性，缩短限幅时间，限幅低噪声放大模块采用半有源、平衡式方式实现，具有驻波小，抗同步、异步烧毁能力强等优点。接收限幅低噪声放大模块的主要技术指标为:

①工作频率:UHF波段

②增益:≥35dB

③噪声系数:≤1.2dB

④承受峰值功率:400W

⑤开关时间:≤1μs

⑥限幅电平:≤13dBm

限幅低噪声放大模块内部还集成了LC带通滤波器，滤除带外强干扰信号，提高了系统的抗干扰能力。

(3)一次有源混频模块

一次有源混频模块是DAM实现频率变换功能的模块，包括用于发射支路的上变频和用于接收支路的下变频，主要由UHF波段SiGe－BiCMOS收发一体化变频芯片、射频开关、中频滤波器等组成，采用FR4多层印制板实现高集成度变频电路。一次有源混频模块采用多功能收发一体化变频单芯片实现收发变频放大，不仅集成度较高，可靠性也得到大幅度提高;模块采用标准的SMT工艺，提高了生产成品率，同时降低了生产成本。一次有源混频电路原理框图及实物照片分别如下图所示:

图2 一次有源混频电路原理框图

图3 一次有源混频模块实物照片

一次有源混频模块实现上下变频处理，集成接收、发射通道、收发切换开关以及端口匹配元件。接收通道集成镜像抑制混频器、低通滤波器、可变增益放大器和中频功率放大器;发射通道由可变增益放大器、边带抑制上变频器和射频放大器器组成。收发通道增益可由数字增益管脚进行编程控制。收发通道均采用双平衡的镜像抑制混频器，本振泄露较低，此外可以实现大于30dB的镜像和边带抑制度。一次有源混频模块的技术指标如表1所示:

(4)一体化数字收发

一体化数字收发应用FPGA、DDS和多通道ADC，在一块印制板上实现8通道的数字化接收机和8通道的数字波形产生器。基于软件无线电思想在中频数字化、数字解调产生基带I/Q信号来进行设计。主要包括抗混叠滤波器、中频采样ADC、基于FPGA实现的数字下变频(DDC)和数字波束形成(DBF)处理、光纤通信接口等。

表1 一次有源混频模块的技术指标

数字接收机实现中频数字化接收，形成数字基带I/Q信号，完成数据高速传输。同时完成高精度闭环跟踪模式下的和波束、方位差波束及仰角差波束初级合成。

数字化波形产生实现系统所要求的不同脉宽、带宽中频信号的产生;在宽带工作模式下完成收发孔径渡越时间补偿;并具有雷达发射波形的脉前脉后频率掩护和可编程等功能。

a)基于FPGA技术的数字接收机

对于数字化接收，目前广泛采用基于软件无线电设计思想的数字化接收机技术实现数字正交解调，用于实现解调的电路被称为 DDC(Digital Down－Converter)，具有NCO及可编程高效数字滤波器，因此在采样时钟确定的情况下，可在较宽范围内实现多种带宽信号的解调和匹配滤波。基本实现框图如图4所示。

图4 数字I/Q正交解调实现框图

b)基于DDS技术的数字波形产生

基于DDS的相位控制和波形产生是数字收发单元的关键技术之一，相控阵雷达的工作方式要求雷达信号具有多种波形形式，需要改变信号的频率、脉宽、带宽等参数，这就要求雷达的波形形成非常灵活，而 DDS恰能满足这一要求［4－5］。DDS的基本原理框图如图5所示。

图5 DDS基本原理框图

从理论上讲DDS可以产生任意的信号波形，也就是说DDS技术可以直接对产生的信号波形参数(如频率、相位、幅度)中的一个、二个或三个同时进行直接调制。以调频为例，对于一个DDS系统其输出频率由下式给出: (1)

式中:k为频率控制字，fclock为DDS输入时钟频率，n为相位累加器的位数。

对于给定的DDS，相位累加器的位数是一个固定值，当输入时钟频率设定后，其输出频率随控制字k而变化。所以只要使频率控制字k按照调制信号的规律进行改变就可实现所需要的调频信号;同时通过相位累加器和正弦函数表之间的数字加法器，可以实现对输出信号的精确相位控制。

由上式可知，传统的DDS结构，其输出频率为工作时钟fclock的分频，理论上最大输出频率fout= fclock/2，本系统采用DDS工作时钟频率为400MHz，输出以fout中心频率带宽为B的数字信号;其相位控制码为14 bit，理论上移相精度可达到:(360°/ 214)≈0.02°。

在搜索模式下，因为信号带宽窄，孔径渡越及频率色散现象可以忽略，因此DAM直接将阵元级数据实时传送给信号处理系统，并由信号处理系统完成多个接收波束的形成，同时DAM接收信号处理系统发送过来的各个阵元的相位分布，实时产生发射波形，通过上变频后辐射至空间，在空间中形成期望的发射波束。

在跟踪模式下，当阵列天线的扫描角度较大时，存在孔径渡越及频率色散现象，此时信号处理系统将每一个DAM所需的数字延迟时间量传送给DAM，并由DAM完成高精度的时间延迟以修正孔径渡越及频率色散现象。设中心频率为f0，信号带宽为B，脉冲宽度为T0，延时为t0的线性调频信号实部表达式为:

若延时为0，则有:

若初始频率为fi、初始相位为φi，则线性调频信号的表达式可改写为:

如令:

比较上面公式，可以看出通过补偿初始频率和初始相位的方法，线性调频信号的延时可以得到精确补偿。

DAM中8通道一体化数字收发模块如图6所示。

图6 8通道一体化数字收发模块图

2 DAM性能指标测试结果

数字阵列模块的外形尺寸为 610×160× 55mm3，重量约8.5kg。我们对DAM的各项具体指标进行了测试，单通道发射输出脉冲峰值功率大于180W，发射脉内信噪比大于55dB，脉冲顶降小于1dB，通道接收噪声系数小于2.0dB，接收信噪比大于55dB，通道间隔离度大于30dB，DAM效率大于30%，部分测试结果如图7～10所示:

图7 通道发射输出功率测试结果

收发通道的幅相稳定性对相控阵雷达的系统性能至关重要，也是DAM设计中需要考虑的重要环节，我们采用收发自闭环的方式，对DAM的幅度和相位稳定性进行了测试。测试结果表明DAM的幅度稳定性小于0.1dB(rms)，相位稳定性小于2°(rms)。

对于大型阵列天线，随机误差需要用统计理论进行分析，有误差的副瓣电平在概率上服从为Rice分布［6］，假设天线单元无方向性，且幅、相误差的方差与波束扫描角度无关，则:

图8 通道发射脉内信噪比测试结果

图9 接收单通道噪声系数测试结果

图10 接收信噪比测试结果

假设天线效率为90%，有效单元数为1024时，由上述公式可知，DAM的0.1dB(rms)幅度稳定性，2°(rms)相位稳定性引起副瓣电平恶化小于0.01dB，引起的天线波束指向误差很小，可忽略。

3 结 论

本文介绍了一种采用高精度数字延时补偿和一次有源混频方式的UHF波段8通道数字阵列模块，其内部集成8个相互独立的模拟收发通道、8通道数字接收、8通道数字波形产生，以及本振功分器、时钟分配器、分布式电源、数据传输和光电转换等部分，具有集成度高、接口简洁、环境适应能力强、可靠性高等技术特点，在防空、反导、预警雷达等领域具有广泛的应用前景。

［1］［美］James Tsui.宽带数字接收机［M］.北京:电子工业出版社，2002.

［2］吴曼青.数字阵列雷达及其进展［J］.中国电子科学研究院学报，2006，1(1):11－16.

［3］吴曼青.数字阵列雷达的发展与构想［J］.雷达科学与技术，2008，6(6):401－405.

［4］Cantrell B，et al.Development of a Digital Array Radar (DAR)［J］.IEEE Aerospace and Electronic Syst ems Magazine，2002，17(3):22－27.

［5］TavikG C，Hilterbrick C L，Evins J B.The Advanced Multifunction RF Concept［J］.Transactions onMicrowave Theory and Techniques，2005，53(3):1009－1020.

［6］张光义.相控阵雷达系统［M］.北京:国防工业出版社，1994.

Design of a UHF－band 8－channel Digital Array Module

Hu Shanxiang，Wang Qiang，Gao Han，Wu Xiaobao，Zhu Wensong，Wang Bing
(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088)

A UHF－band 8－channel digital array module by using high－precision digital－delay compensation and once active mixing is introduced，in which parts like 8 independent analog transceiving channels，8－channel digital receiving，8－channel digital waveform generating and LO power dividers，clock dividers，distributed power supply，data transfer，photoelectric conversion etc.are integrated.Pulse output peak power transmitted by a single channel is greater than 180 W，SNR within pulse is more than 55 dB，pulse top drop less than 1 dB，NF of receiving less than 2.0 dB，SNR of receiving more than 55dB，inter－channel isolation more than 30 dB.The digital array module is featured with high level of integration，simple interface，stable performance，favorable environment adaptability and high reliability.It is batch applied in a long－distance warning phased array radar.

digital array module;UHF－Band;digital array radar;digital transceiver

TN957;TN958

A

1008-8652(2016)04-069-05

2016-07-18

胡善祥(1974－)，男，高级工程师。主要研究方向为相控阵雷达收发技术。