宽带高功率谐波雷达发射机的设计与实现

李彦旭，王 衍

（江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013）

0 引言

谐波雷达通过发射基波信号，接收来自非线性目标的二次或者三次谐波信号来识别和搜索目标，可用于远程温度感应，追踪昆虫和小型两栖动物，用作检测或者监视设备以及人体生命体征的监测，非线性雷达因其非接触、应用范围广、便于检测而具有广泛的应用场景[1-2]。

非线性雷达的设计和实现最早可追溯到上世纪80年代，但是早期的微波器件体积较大，成本价格昂贵，难以推广到更多的应用领域。近年来随着医学、电子、芯片集成技术的发展，许多研究组织也越来越关注雷达生命探测技术[3]的发展。传统的谐波雷达多采用单频连续波信号或者输出功率较低，带宽较窄的调频连续波。本文将介绍一种用于探测生命体信息的宽带高功率谐波雷达发射机前端，具有输出功率高、发射带宽大、可靠性高、编程可控制频率等优点[4]。

1 指标分析

考虑到谐波雷达发射机的便携性，所以对发射机体积、成本和能耗提出了要求，为了提升整个系统对生命体征的探测距离分辨率和抗电磁干扰能力，采用一个可变频发射谐波雷达的探测系统，所以要求发射机具有高输出功率和200 MHz 的带宽内可变频发射。对发射机提出的具体指标如下：中心频率为2.8 GHz，带宽为200 MHz 的调频连续波，发射输出峰值功率为10 W，相位噪声优于100 dBm/Hz@10 kHz。本文针对以上指标，提出了一种S 波段宽带高功率的谐波雷达发射机的设计方案，并对功放、天线关键器件进行了仿真与测试，验证了方案的可行性。

2 系统设计

发射机链路框图如图1 所示，谐波雷达发射机主要由直接数字频率合成(DDS)[5]模块、锁相环(PLL)模块、混频器(Mixer)模块、带通滤波器(BPF)模块、驱动放大器(PA1)模块、末级功率放大器(PA2)模块、功率分配器及发射天线(Tx)构成。DDS 产生的信号与PLL 产生的本振上混频后，经过带通滤波器对信号的选择作用，滤除谐波及杂散，得到所需信号通过功分器后一路用作接收机的本振，一路通向两级放大器的放大后到发射天线。

图1 发射机链路框图

结合指标要求，本文的PLL 和DDS 采用ADI 公司的ADF4350BCPZ 和AD9910BSVZ 芯片，PLL 的射频带宽范围为137.5～4 400 MHz 之间，通过STM32F103RBT6 控制PLL 模块输出2 600 MHz 的本振频率，同时控制DDS产生噪声抑制优于110 dBm/Hz@10 kHz 的100～300 MHz的调频连续波信号进行混频，从而产生中心频率为2.8 GHz，带宽为200 MHz 的调频连续波。

混频器选择ADI 公司的ADL5801ACPZ，其本振和射频端口的频率范围为0.01～6 GHz，中频端口频率范围在DC-0.6 GHz，本振端口和射频端口间隔离度高达46.7 dB。由于混频器的非线性作用，在混频时产生的多次谐波分量需要滤除，设计了一款满足系统指标需求的发卡带通滤波器。驱动级放大器选择Qorvo 公司的SBB5089+SZA2044，其射频带宽范围为1～3 GHz，1 dB压缩点输出功率为30 dBm,增益为40 dB。

为保证末级功率放大器发射基波信号无其他二三次谐波信号的干扰，同时具有更高的效率和输出功率，故设计了一种F 类功率放大器作为末级输出。雷达的发射天线则采用很强的方向性的八木天线，针对传统八木天线带宽窄、尺寸大等问题，设计了一种宽带高增益的微带八木天线。

2.1 F 类功率放大器的设计

图2 所示是F 类功率放大器的整体原理图，工作频段为2.7～2.9 GHz（取2.8 GHz 为中心频率），漏极偏置电压为28 V，栅极偏置电压为-2.8 V。功率管采用Cree 公司的CGH40010F GaN HEMT，介质基板采用相对介电常数为3.48，厚度为0.508 mm 的罗杰斯4350B。输入和输出匹配电路采用传输线和开路枝节组成的L 型匹配结构，以实现低插入损耗，串联R-C 稳定电路防止低频振荡。谐波控制网络中使用长度为λ3/4 开路微带线TL1 实现B 点从开路转换到短路，同时使用长度为λ3/4的TL2 实现在晶体管漏极的三次谐波开路。A 和B 之间加入TL3 使得TL2 与TL3 总长度达到λ2/4 能实现二次谐波短路[6-7]，且晶体管的漏极偏置电压加在A 点上方的λ2/4 微带线TL4 上，这样A 点处实现基波和三次谐波开路。偏置线上并联两个扇形微带线Stub2 和Stub3 来代替对地电容，这不仅使得方便设计，结构紧凑而且也起到了短路基波和二次谐波的作用[8-9]。

图2 F 类功放原理图

F 类功放在CGH40010F 的输出端和负载之间加入谐波控制网络，是为了将基波的偶次谐波调谐到零阻抗状态，而将奇次谐波调谐到无穷大阻抗状态，这才能使得漏极端的电流和电压时域上很接近半正弦波和方波[10]，如图3 所示，漏极电压和电流波形之间几乎没有重叠，代表晶体管内部直流功耗小，因此大大提升了效率。

图3 漏极电压和电流仿真时域波形

2.2 天线设计

本文提出的微带八木天线正反面CAD 结构如图4(a)、(b)所示，介质基板采用罗杰斯4350B（介电常数3.48，损耗角正切0.003 7，厚度为0.508 mm），相对于传统的八木天线而言，更易于同其他电路进行集成。为了增加天线的增益而不影响带宽，该天线正反面都采用四个微带线作为引向器，正反面的激励阵子充当辐射器，而位于介质板底面的地板作为反射器。该天线使用该天线使用一种比较简单的馈电方式，正面的激励阵子直接与馈电微电线相连；反面的激励阵子与充当反射器的地板相连。激励阵子部分采用了“半领结”型[11-13]渐变的结构，延长了辐射单元的电流路径，从而达到拓展平面八木天线阻抗带宽的效果；同时天线激励阵子附近增加了矩形寄生贴片[14-15]，实际上将RLC 谐振电路改为多谐振点的电路，回波损耗呈现双谐振特性，进而拓展了天线的阻抗带宽。

图4 改进后的八木天线

根据八木天线的设计方法和经验公式得出初始尺寸，经过电磁仿真软件Ansoft HFSS 的参数优化后具体尺寸如下：W=60 mm，L=90 mm，L1=32 mm,Lr=18 mm，Lt=15.06 mm，Wt=16 mm，Wr1=14.575 mm，Wr2=18 mm，S1=2 mm，S2=1.13 mm，W1=1.12 mm，d1=5.6 mm，d2=10.6 mm，d3=11.6 mm。

天线的增益是衡量天线性能的一个重要指标，仿真得到的微带八木天线的三维远场辐射增益方向图如图4(c)所示，在2.8 GHz 处最大辐射方向上增益达到7.4 dBi。

3 测试结果与分析

3.1 天线模块

从图5 中可以看出，改进后的八木天线实测结果表明回波损耗在2.8 GHz 时的值为-29.3 dB，阻抗匹配特性良好，S11 在-10 dB 以下的频段为2.6～2.98 GHz，与HFSS 仿真的结果基本吻合，对应的相对带宽达到了13.6%，对比改进前增加了6.46%，能够满足发射机系统工作频段的覆盖要求。

图5 改进前后回波损耗的变化

3.2 F 类功率放大器模块

图6 所示为F 类功放的峰值功率附加效率(Power Added Efficiency，PAE)、输出功率Pout和增益G随输入功率变化的仿真与测试结果。可以看到:在2.8 GHz 工作频率下，F 类功放的峰值PAE 为69.3%，饱和输出功率为39.8 dBm，增益为11.8 dB。

图6 输入功率，PAE 和增益随输入功率的变化

对F 类功率放大器进行测试，得出各频率点的输出功率和增益，然后经过计算各频点的PAE，得出输入功率，PAE 和增益随频率变化的仿真与测试结果如图7 所示。其中每个频点的输入功率恒定为28 dBm，可以看到:F 类功放在2.7 GHz 到2.9 GHz 的带宽内PAE 保持在55%～69.3%，输出功率约为38～40 dBm，功放的增益在整个频带内介于9.5～12 dB 之间，PAE 的峰值出现在2.8 GHz，说明功放晶体管的匹配电路在中心频率点处匹配良好，插损小，且谐波控制网络对二次谐波及三次谐波分量有了较好的抑制，实测输出功率在39.8 dBm。上述测试基本满足F 类功率放大器在工作频段内峰值输出功率10 W 的要求。

图7 输入功率，PAE 和增益随频率的变化

3.3 发射机整体模块

发射机模块实物图如图8 所示.DDS 的扫频时宽为1.5 ms，步进频率为10 kHz，产生的宽带线性调频信号经过混频，放大输出的发射信号连接30 dB 的衰减器后到频谱仪进行测试。为了测试在该信号源下，产生的中心频率为2 800 MHz 且带宽为200 MHz 的调频连续波信号，输出频谱如图9 所示。从图中可以看出在要求的频带内链路的输出功率接近40 dBm，平坦度在3 dB 以内，符合本文设计的要求。

图8 发射机模块

图9 发射信号测试

4 结论

为了提高探测距离和满足可变频发射谐波雷达的探测需求，本文提出了一种宽带高功率谐波雷达的发射前端方案，对系统的部分指标进行了仿真实测、分析，测试结果表明，本文设计的S 波段宽带高功率的谐波雷达发射机可产生中心频率为2.8 GHz、带宽为200 MHz 的线性调频信号，其输出峰值功率可达10 W，均满足系统设计的要求。