超导接收前端在L波段雷达中的应用研究

孟宪猛

(安徽博微长安电子有限公司 安徽 六安 237012)

0 引言

对于L波段雷达，容易受到电台、电视台和无线基站等信号的干扰，随着这些信号的分布点的增多，信号的功率密度的增大，会对雷达的性能造成严重影响[1]；另外，电子对抗中的阻塞式干扰、噪声压制干扰也会严重影响雷达的性能。

在L波段雷达接收前端的设计过程中，为了提高系统的抗干扰性能，可将微波窄带滤波器放置在低噪声放大器之前，受到窄带滤波器的技术水平限制，滤波器具有较大的插损，增加了接收系统的噪声系数，降低了系统的灵敏度；若将微波滤波器设计在低噪声放大器之后。低噪声放大器为宽带器件，雷达工作频段外的电台、电视台和通信基站等信号，会进入低噪声放大器，并在放大器中产生宽频的交调信号，形成交调干扰，影响着雷达的性能[2]。

超导接收前端采用了具有较高频率选择特性的超导滤波器，滤波器可以实现近似理想的滤波特性，是常规滤波器无法比拟的[3]。另外超导滤波器的带宽可以做的非常窄，带边陡峭度高，可以有效滤除离边带很近的干扰信号，可以有效解决雷达的干扰问题。本文主要对超导接收前端的特点、对雷达的性能影响进行分析研究，设计了一型超导接收前端，并在L波段雷达系统上应用进行试验分析。

1 超导接收前端组成及特点

1.1 组成

超导接收前端主要由超导滤波器组、低温低噪声放大器、微波开关等低温微波器件和提供低温真空环境的制冷机与杜瓦等部件构成[4]，组成框图如图1所示。

图1 超导接收前端的组成

其中制冷机采用小型斯特林制冷机，为超导滤波器组、低噪声放大器等电子组件提供工作所需的低温环境，保证滤波器、放大器等能够在超导特性下正常工作。由于前置放大器处于低温的工作环境，有效降低它的噪声系数，提高了接收信号的灵敏度。另外，超导滤波器放置于低噪声放大器之前，可以有效滤除带外干扰信号。

1.2 特点

1)极高的频率选择性和带外抑制能力

当超导材料温度降低到转变温度之下时，其微波表面电阻非常的小，比普通金属的微波表面电阻低几个数量级，几乎无损耗[5]。相对于常规滤波器，利用超导薄膜制成的滤波器具有极低的插入损耗、极高的带外抑制，仿真结果如图2所示，对L波段的超导滤波器和常规滤波器的插入损耗、带外抑制能力等关键指标进行测试比较，结果如图3所示。

图2 超导滤波器和常规滤波器的性能比较

图3 超导滤波器和常规滤波器测试数据比较

从图2和图3中可以看出，超导滤波器的插入损耗小、频率选择特性高，具有理想的滤波性能，是常规滤波器无法相比的。

2)极低的噪声系数

电子热运动影响微波器件的噪声，是一项关键因素，而器件工作的环境温度直接影响电子热运与相关，在低温条件下，电子的热运动变得缓慢，此时微波器件的噪声会显著降低，影响超导滤波器、放大器等微波器件的无损特性。因此，超导接收前端具有较低的噪声系数，低至常规接收前端的1/4-1/9[6]。常规接收前端的噪声电平会将雷达接收的微弱信号淹没，而超导接收前端具有较低噪声，可以有效接收微弱信号，两者的噪声性能对比如图4所示。

图4 噪声性能对比

3)组件化的设计

超导接收前端的滤波器、放大器等能够在超导特性下正常工作，需要制冷机和真空杜瓦低温、真空环境，除需要高可靠性小型制冷机、微波电子器件以外，还需要进行高效的热设计、真空密封设计等，为了在雷达系统更好得到应用，需要对超导接收前端进行模块化、组件化和小型化设计。

2 超导接收前端对雷达的性能分析

2.1 低噪声性能提升探测威力

接收前端是雷达接收分系统的重要组成部分，接收前端的噪声系数直接影响雷达系统噪声系数，雷达系统总噪声系数主要取决于低噪声放大器和放大器前面的微波电子器件噪声。根据雷达威力方程[7]：

式中，Rmax表示为雷达最大作用距离，Pt为雷达的辐射功率，Gt表示为发射天线增益，Gr表示为接收天线增益，λ表示为工作波长，σ为目标的散射截面积，Smin为最小可检测信号功率，表示为[7]：

英国新马克思主义学派的代表人物之一胡格维尔特的《发展社会学》一书，在对社会进化过程中的不同阶段及各阶段中社会系统的功能差异进行了分析的同时，提出了发展理论的研究框架，胡格维尔特将结构功能主义下静态的单一社会分化和整合的发展视为作为“过程”的发展，将人类社会视为相互联系和作用的整体更大范围内的发展视为“互动”的发展，而将某种文化取向和社会关系下的主体行动则视为作为“行动”的发展。结合胡格维尔特的理论框架笔者认为对于现有的关于社会组织的研究可以划分为几个类型。

Smin=kT0ΔFFn(S/N)min

式中，k为波尔兹曼常数，T0为标准室内温度，ΔF为接收机的带宽，Fn为接收机的噪声系数，(S/N)min为最小可检测信噪比。

通过上面分析可知，接收前端噪声系数的减小，会使接收机噪声系数得到有效降低，提高系统的接收灵敏度，提升了雷达的探测距离。

2.2 高频率选择性提升雷达抗干扰性能

由于常规滤波器的Q值不高，滤波器很难实现较窄的带宽，而超导滤波器通过优化设计，具有较高的Q值，可以使滤波器的带宽做到非常的窄，接近于雷达工作频点，可以有效滤除雷达带外的干扰信号[8]。雷达采用常规接收机前端时，目标回波信号和干扰信号都会送到雷达后端信号处理，而采用了超导接收前端之后，超导滤波器可以有效地滤除干扰信号，有利于雷达的信号与数据处理。对于广播电视、无线基站等民用干扰信号，采用超导滤波器则可以有效滤除这些外部干扰信号，同时也会滤除交互调干扰，有效提升雷达的抗干扰性能。

3 实例分析

3.1 样机设计

1)超导滤波器

超导滤波器采用微带结构谐振器形式，根据雷达系统对滤波器中心频率、带宽、带内插损和带外抑制等要求，采用切比雪夫响应设计法进行滤波器设计，确定了滤波器的节数、谐振器微带线的宽度、谐振器的长度、各谐振器之间距离等具体参数。

通过滤波器的仿真和优化设计，确定滤波器的节数为6节，滤波器电路中线条宽度为0.12mm，谐振器的长度为滤波器中心频率对应波长的一半。选用MgO基片(介电常数为9.68，厚度为0.51 mm)，设计的滤波器电路如图5所示，设计的滤波器在某频点的频率响应曲线如图6所示。

图5 设计的微带滤波器电路图

图6 某频点的滤波器频率响应曲线

从图6中可以看出，设计的超导滤波器具有较好的频率选择性和带外抑制能力，其中滤波器的带宽为3MHz，在雷达F0±7MHz时，带外抑制能力可以达到80dB。

低温低噪声放大器要求具有高增益、低噪声，由于超导接收前端真空腔和制冷机负载工号有限，放大器电路设计采用两级放大，其中第一级放大电路工作在液氮低温环境下，第二级放大电路工作在常温工作环境下，电路设计选用HEMT器件实现低噪声放大，设计的电路如图7所示。

3)制冷机

制冷机采用小型斯特林制冷机，具有体积小、功耗低和可靠性高等特点，满足系统制冷量的需求。

将超导滤波器和低温低噪声放大器器件安装于低温真空腔内，采用斯特林制冷机制冷，与控制电路模块、电源等一起进行组合化、集成化设计，设计的超导接收前端样机如图8所示。

图7 低温低噪声放大器示意图

图8 超导接收前端

设计的样机在工作状态下，对其主要技术指标进行测试，并和雷达的常规接收前端的技术指标进行对比，结果如表1所示。

表1 超导接收前端与常规接收前端主要性能对比

从表1可以看出，相比常规接收前端，雷达超导接收前端具有较低的噪声系数，较好的频率选择性和带外抑制能力。

3.2 试验分析

为验证超导接收前端对雷达性能的提升，以某型 L波段雷达为例，在雷达系统上加装超导接收前端，与原来雷达的常规接收前端并行连接，如图9所示，通过开关切换雷达可工作在常规和超导两种状态下。

图9 超导接收前端在雷达上的加装方式

该雷达的接收机灵敏度为-107dBm，系统的噪声系数约为1.7dB，通过计算可知，当雷达工作频带外同时存在两个大于-54dBm的带外干扰时，产生的互调干扰信号会高于目标的检测门限，影响目标的探测。

采用带外干扰模拟试验，在雷达阵地附近施放两个大于-54dBm的L频段带外干扰。在干扰条件下，雷达分别采用常规接收前端和超导接收前端进行空中目标探测。使用频谱仪对常规/超导接收前的和经过常规/超导接收前端的信号频谱进行测量，结果如图10所示，在常规和超导状态下雷达的终端显示界面如图11所示。

从图10中可以看出，常规/超导接收前端前的两个带外干扰信号分别为-46.98dBm和-49.09dBm，带内产生的干扰信号为-84.51dBm；经过常规接收前端后带外干扰信号分别为-15.29dBm和-18.19dBm，带内产生的干扰信号为-60.84dBm；经过超导接收前端后带外干扰分别为-84.65dBm和-85.28dBm，带内产生的干扰信号为-81.62dBm；相比常规接收前端，经过超导接收前端后干扰信号强度明显降低，有效滤除雷达频带外的干扰信号。从图11中可以看出，雷达采用常规接收前端，干扰区域的雷达目标几乎消失，无法正常探测目标；雷达采用超导接收前端，干扰区域的雷达目标几乎都可以正常探测，雷达探测能力恢复。因此将超导接收前端应用于L波段雷达中可有效抑制雷达的带外干扰，提升雷达的抗干扰能力。

图10 干扰信号频谱

图11 雷达显示界面

4 结束语

通过对超导接收前端高频率选择性、低噪声系数等性能特点的介绍，分析其对雷达系统性能的影响，将超导接收前端应用到L波段雷达系统上，可有效抑制广播电台、无线基站等信号的对雷达的干扰以及雷达受到的同频段异步干扰，大大提升雷达的抗干扰性能，由于雷达接收系统噪声系数的降低，提高接收信号的灵敏度，提升了雷达目标探测能力。

参考文献:

[1] Mansour RR.Microwave superconductivity[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2002,50(3):750-759.

[2] 弋稳.雷达接收机技术 [M]. 北京: 电子工业出版社，2005.

[3] 左涛,刘敏,刘洋.用于深空测控站的超导滤波器技术[J].飞行器测控学报,2014,33(5):382-386．

[4] 羊恺,补世荣,刘娟秀,等.限幅自保护高温超导接收机前端研究[J].电子科技大学学报,2007,36(2) :223-226．

[5] 陆明.高温超导微波器件在雷达接收机中的应用[J].现代雷达,2006,28( 3) : 84-86．

[6] 梁海珊,陈凤友.超导技术在测量雷达中的应用[J].现代雷达,2010,32(8) :11-13．

[7] 左涛,陆勤龙,宾峰,等.超导前端改善雷达的抗干扰性能[J].低温与超导,2015,43(5):33-36．

[8] 陆勤龙,宋莹,陈宇鹏,等.小型化超导接收前端在雷达中的应用分析[J]. 低温与超导,2012,40(5) :43-47．