Ku波段雷達接收機設計

摘要闡述了Ku波段雷達接收機的工作原理進(jìn)行了闡述，并對設計方案與測試結果進(jìn)行了分析。Ku波段接收機由低噪聲變頻單元、中頻放大、本振和電源4個(gè)獨立單元組成。對各單元電路的設計進(jìn)行了分析，給出了元器件選型以及仿真結果。試驗結果表明，Ku波段接收機的噪聲系數≤1．0 dB、增益≥55 dB、輸入輸出駐波，相位噪聲雜散，鏡像抑制等指標均滿(mǎn)足實(shí)用技術(shù)要求，并根據測試結果對Ku波段接收機部分指標提出了進(jìn)一步優(yōu)化的方法。
關(guān)鍵詞雷達接收機；噪聲系數；增益

隨著(zhù)現代調制體制的快速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)頻譜的利用率日益加劇，對接收機的線(xiàn)性度、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、抗干擾能力、適應性等方面的性能和指標提出了越來(lái)越高的要求。這就要求現代通用接收機在保證信號檢測能力的前提下：盡可能地提高接收機的線(xiàn)性度，使信號失真最小、誤碼率最低；盡可能地展寬接收機的動(dòng)態(tài)范圍，使接收機的適應度更大、抗干擾能力更強。

1 工作原理
Ku波段雷達接收機主要由低噪聲混頻單元，中頻放大單元，本振單元及電源部分組成，信號經(jīng)天線(xiàn)接收后首先進(jìn)入低噪聲放大單元，對信號進(jìn)行放大，選頻以及混頻。之后進(jìn)入中頻放大單元，對信號進(jìn)行放大，濾波和輸出。接收機電路原理框圖如圖1所示。

2 電路優(yōu)化設計
2．1 低噪聲變頻單元設計
低噪聲變頻單元主要由低噪聲放大器、微帶帶通濾波器、射頻放大器和鏡像抑制混頻器組成。增益、噪聲系數、帶外抑制、鏡像抑制度等是重要的指標，不僅是下變頻技術(shù)，還有低噪聲放大器LNA的設計都是整個(gè)通信系統的設計重點(diǎn)。
(1)低噪聲放大器。本接收機的最前端是LNA，它的噪聲決定了整機噪聲系數；考慮到噪聲指標要求較高，為減小輸入口的損耗，故接收機輸入信號由波導口輸入后不再加隔離器，這就要求第一級低噪聲放大器在保證自身噪聲系數低的情況下，還應注意其輸入端和波導口的駐波匹配。為保證整機噪聲指標，低噪聲放大器不但要求噪聲系數低，還要設計適當的增益值，以降低低噪聲放大器后端給整機噪聲指標帶來(lái)的影響。在該接收機低噪聲放大器單元，采用兩級低噪聲場(chǎng)效應管放大，通過(guò)微波低噪聲放大器設計理論的計算，結合相應的微波軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真，仿真結果如圖2所示。

根據仿真結果，低噪放增益25 dB，噪聲系數0．7 dB；輸入駐波1．8，輸出駐波1．3；另外低噪放的穩定系數K值>1，保證了低噪放的穩定性。
(2)帶通濾波器。在低噪聲放大器后面接有一個(gè)微帶半波長(cháng)濾波器，引入射頻帶通濾波器。射頻信號經(jīng)過(guò)低噪聲放大器后，通過(guò)帶通濾波器選頻抑制帶外信號，有利于提高接收信號的純度和鏡像抑制度，抑制帶外信號及雜散信號，提高接收機輸出信號的純度。
該類(lèi)濾波器具有性能穩定、帶外抑制度高、駐波比小等優(yōu)點(diǎn)。另外，選用高介電常數的基片來(lái)減小濾波器的體積，并通過(guò)圖形發(fā)生器進(jìn)行照相制版來(lái)保證濾波器的一致性和可靠性。帶通濾波器軟件仿真結果如圖3所示。
(3)變頻電路。在該接收機中，對鏡像抑制度要求較高，除了選擇在低噪聲放大器后面加微帶帶通濾波器來(lái)抑制鏡像信號外，還需要選擇鏡像抑制混頻器。在通常設計中，可以利用混頻二極管組來(lái)實(shí)現鏡像抑制混頻器，這類(lèi)混頻器優(yōu)點(diǎn)在于可調解性好、鏡像抑制較高，但是反相隔離稍差，體積較大；另外可以利用I／Q鏡像抑制混頻器，該類(lèi)混頻器一般采用國外生產(chǎn)的集成混頻器單片，具有體積小、鏡像抑制度和反相隔離度高的特點(diǎn)。為簡(jiǎn)化電路，縮減整機體積，采用I／Q鏡像抑制集成混頻器單片。
混頻器采用I／Q鏡像抑制集成混頻器，其性能指標比較優(yōu)越，可以滿(mǎn)足接收機使用。傳輸損耗8 dB；鏡像抑制≥20 dB；本振和射頻隔離≥45 dB；本振和中頻隔離≥20；1 dB壓縮點(diǎn)輸入功率14 dBm。采用該鏡像抑制混頻器，能夠對鏡像抑制增加20 dB。由于選擇的是低本振，能夠實(shí)現頻譜特性不倒置。
2．2 中頻放大單元設計
中頻放大單元主要由90°合成器、溫敏衰減器、中頻放大器、中頻帶通濾波器等部分組成。
(1)中頻放大器。中頻放大采用兩級RF公司的NBB-500單片放大器，此單片放大器封裝體積小、應用電路簡(jiǎn)單、使用方便。NBB-500增益為18 dB，輸出P-1為14 dBm，工作電壓／電流為3．5 V／35 mA。NBB-500增益曲線(xiàn)如圖4所示。

(2)溫敏衰減器。在-40～+55℃的溫度范圍內有3 dB的增益變化，它隨溫度變化是反斜率的，即高溫衰減量小，低溫衰減量大；能較好地補償接收機射頻鏈路的增益隨溫度變化的正斜率。
(3)中頻濾波器。采用低通濾波器和高通濾波器級聯(lián)來(lái)實(shí)現帶通濾波器，中頻帶通濾波器插損1 dB，帶外抑制≥40 dBc。
2．3 本振單元設計
本振單元輸出信號的相噪、雜波抑制直接影響著(zhù)接收通道的性能指標。本振單元采用鎖相結合倍頻方案，其中參考信號是通過(guò)在中頻輸出口增加低通濾波器輸出得到。鎖相環(huán)電路使用CRO系列超低相噪介質(zhì)壓控振蕩器，將CRO的信號與參考信號通過(guò)鑒相器構建鎖相環(huán)路鎖相，CRO輸出頻率為Fo／2。然后將鎖相環(huán)輸出的信號2次倍頻后進(jìn)行高通濾波輸出。
在理想情況下，鎖相環(huán)內的典型相位噪聲計算公式如下
L(fm)=L(fm)REF+20lg(fVCO／fREF) (1)
式中，L(fm)為單邊帶相位噪聲；L(fm)REF為參考源的相位噪聲；fVCO為壓控振蕩器的頻率；fREF為鑒相頻率；fm為頻偏。
根據上面公式計算，在輸出頻率為9．70 GHz時(shí)，環(huán)路內相位噪聲的惡化值理論值為
20lg(fVCO／fREF)=20×lg970=60 dB (2)
影響本振源相位噪聲指標主要因素有兩個(gè)：參考源的相位噪聲L(fm)REF和本振頻率與鑒相頻率的比值fVCO／fREF。環(huán)路帶寬外部的相位噪聲值主要由CRO相位噪聲決定，設計CRO頻率為4 850 MHz，相位噪聲為-105 dBc／Hz@10 kHz；-120 dBc／Hz@100 kHz；由此計算2倍頻后相噪惡化值為20lg2=6 dB，本振可實(shí)現理論相噪為-99 dBc／Hz@10 kHz；-114 dBc／Hz@100 kHz。

計算2倍頻后相噪惡化值為20lg2=6 dB。輸出9．70 GHz信號的相位噪聲為-74 dBc／Hz@100 Hz；-84 dBc／Hz@1 kHz；-94 dBc／Hz@10 kHz；-112 dBc／Hz@100 kHz。

3 測試結果與分析
測試結果如表1所示。

由表1可知，Ku波段低噪聲高增益LNB整機測試結果符合設計要求。但考慮到目前無(wú)線(xiàn)通信系統的快速發(fā)展，技術(shù)指標要求不斷提高，擬對以下指標進(jìn)行改進(jìn)，其中輸出端駐波可加入隔離器，由于噪聲系數主要受前端波導轉換、低噪聲放大器以及射頻濾波器影響，射頻濾波器處于級聯(lián)系統第二級，對系統噪聲影響明顯，考慮對射頻濾波器重新進(jìn)行優(yōu)化仿真，降低濾波器損耗，從而促進(jìn)系統噪聲系數優(yōu)化。

4 結束語(yǔ)
Ku，K和Ka波段接收機隨著(zhù)近年來(lái)發(fā)展，目前Ku波段接收機的重要發(fā)展方向是高性能、小型化和系統的穩定性。文中對從小型化接收機研制的必要性，以及設計方案進(jìn)行了描述，通過(guò)實(shí)際測試結果對接收機提出了優(yōu)化改進(jìn)思路。