X 波段多普勒雷达射频前端的设计应用
2020-11-25季梦江苏无线电厂有限公司
季梦 江苏无线电厂有限公司
引言
考虑到传统大口径火炮膛内运动目标速度等参数测量方法的缺陷，要重点探讨和研究X 波段多普勒雷达射频前端的设计和应用，在明晰X 波段多普勒雷达相关原理的前提下，进行雷达射频前端各参数的设计和应用。
1 多普勒雷达射频前端设计
多普勒雷达测速原理是指当声、光等波源与观测者进行相对运动时，接收频率和波源发射频率会产生频率差，当相对运动速度越快时，多普勒效应也相应升高。本课题选取频率范围在8GHz-12GHz 的X波段雷达进行测速，体现出波束窄、方向性和穿透性强、全天候作业等特征。其中，发射机主要是将低频率的信号转变为高频率的信号，再经由滤波放大电路获取所需发射的信号。接收机则对接收的射频信号进行选择、放大，并将高频信号转变为低频信号，由系统后端进行信号处理。
1.1 总体设计。在进行多普勒雷达射频前端设计的过程中，主要考虑以下性能指标，即：发射支路中的发射增益、杂散、相位噪声；接收支路中的接收增益、接收噪声系数、接收灵敏度、动态范围等。其工作原理为：频率源发出两路信号，通过直接倍频和混频的工作方式，一路经由耦合器、功率放大器发射9.6GHz 的信号，一路经由混频器和带通滤波器接收8.4GHz 的本振信号。设计参数有：天线增益20dBi、驻波比为1.5。
1.2 各支路方案设计。（1）发射支路设计。该系统的发射支路采用超外差结构，包括有混频器、带通滤波器、耦合器、功率放大器，以耦合器和功率放大器作为发射支路，将频率源产生的9.6GHz 信号由天线发射至空间；并利用混频器的非线性特点，对频率源产生的8.4GHz信号进行频率变换，进行信号的选择、谐波滤除和杂散处理，使之成为接收支路的本振信号。（2）接收支路设计。该系统的接收支路采用超外差结构，包括有射频滤波器、低噪声放大器、混频器、中频滤波器/放大器，由射频滤波器对接收的9.6GHz±0.25GHz 信号进行滤波处理，由低噪声放大器对其进行放大，再与发射支路生成的8.4GHz 本振信号进行混频，滤波、放大生成1.5GHz 的中频信号。
2 X 波段多普勒雷达射频前端发射支路的设计
2.1 混频器设计。由振荡源、线性器件、滤波电路、输入输出回路形成混频器闭合网络，将天线接收的回波信号与本地载波信号进行混频，使之转变为待处理的低频信号。本设计选取带宽大、动态范围广、低噪声、端口隔离度高、稳定性好的无源混频器，并选取双平衡二极管混频器，以有效抑制杂波信号及多信号造成的交调失真现象。
2.2 带通滤波器设计。本设计选取切比雪夫带通滤波器，利用其频带宽、边沿陡、应用范围广的特性，有效滤除频率信号中的谐波和杂散，并选择信号的信道和频带。同时，选择并联耦合滤波器，利用其无须二次调谐的特点，解决实际滤波电路中的问题。通过应用分析可知，发射支路带通滤波器的带宽小于101MHz，9.55-9.65 内的回波损耗小于-0.4dB，输入驻波比为2.33。
2.3 功率放大器设计。X 波段多普勒雷达射频前端的功率放大器可以根据输入/输出信号的比例关系，将其分为线性/非线性功率放大器，以获取发射支路要求的输出功率。同时，为了更好地提高线性度和工作效率，可以采用预失真器、前馈等技术加以实现。在功率放大器的电路设计方面，选取包涵三阶放大器的EMM5068VU 芯片，并采用单片微波集成技术进行设计，相关参数包括：输出功率33dBm、线性增益26dB，阻抗匹配50Ω，工作频率9.5-13.3GHz。
3 X 波段多普勒雷达射频前端接收支路的设计
3.1 滤波器设计与应用。可以选取微带带通滤波器，利用其低插入损耗、低噪声系数的特点，进行射频信号的接收，并有效阻断杂波信号的传输。同时，中频滤波器采用谐振腔体结构，体现出高稳定性、高抑制性、驻波比小、插入损耗低的特点。
3.2 低噪声放大器的设计与应用。可以选取增益值小于20dB 的低噪声放大器，避免混频器在饱和区对系统的非线性失真问题，并要具有足够大的线性范围，以有效地抑制干扰信号。还要与相连器件阻抗匹配，以有效减小信号传输过程中的损耗。同时，低噪声放大器的芯片采用单片微波集成技术和砷化镓材料，设计选用Hittite 公司生产的HMC441 芯片，工作频率为6.5-13.5GHz。
3.3 混频器的设计与应用。为了避免非线性失真和频率干扰等问题，可以设计应用三阶交调截止点（IP3）较高的混频器，内置Hittite 公司的HMC412AMS8GE 芯片，工作频率范围在9.0-15.0GHz 之间。
3.4 放大器的设计与应用。X 波段多普勒雷达射频前端采用三级放大器级联结构，选取NXP 公司的BGA2709 芯片作为射频接收单元的放大器和中频单元的第二级放大器，选取Mini-Circuits 公司的ERA－5 芯片放大器作为中频单元的第三级放大器。
4 小结
综上所述，基于雷达射频前端相关技术指标的前提，进行X 波段多普勒雷达射频前端的总体设计和各支路具体设计，实现雷达射频前端整体的小型化。后续还要选取性能更优的器件，并对滤波器电路进行阻焊加工处理，保证滤波器的滤波效果。还要对传输信号的微带线进行阻抗测试，避免信号失配的问题。
