P波段瞬態(tài)極化雷達系統(tǒng)T/R組件設計解析

1 引言

瞬態(tài)極化新體制雷達對于提高雷達系統(tǒng)在復雜戰(zhàn)場環(huán)境中的探測性能和感知能力以及在抗干擾、反隱身、反低空突防等方面具有極其重要的軍事價值。其主要功能是探測雷達目標的極化散射特性，同時測得目標的極化散射矩陣的4個參數(shù)，避免了傳統(tǒng)的分時極化測量體制固有的測量精度差、補償校準復雜的缺陷，因而為準確測量運動目標的極化散射矩陣提供了技術保證。

2 T/R組件介紹

T/R組件是瞬態(tài)極化雷達射頻電路系統(tǒng)的重要組成部分，其主要完成發(fā)射功率放大、收發(fā)隔離和接收低噪聲放大等功能。如圖1所示，來自上變頻組件的射頻信號經(jīng)過功率放大器放大后，由環(huán)行器輸出至天饋系統(tǒng)，接收到的信號由環(huán)行器送至限幅器，經(jīng)接收開關、濾波器和低噪聲放大器放大后送至下變頻組件。本文將重點介紹功率放大器高速開關、限幅器、接收開關、接收預選濾波器和低噪聲放大器的設計過程。

圖1 T/R組件結構示意圖

3 T/R組件設計

3.1 功率放大器電源高速開關設計

接收期間，天線接收的信號經(jīng)環(huán)行器進入接收鏈路，同時被功率放大器放大的噪聲和本振信號也會耦合到接收鏈路，比較而言，耦合到接收通道的噪聲和本振信號可能比有用信號還要大，以至于將有用信號淹沒，甚至造成接收機阻塞。為解決這一問題，在接收期間將功率放大器的電源切斷。切斷功率放大器的控制信號取自收發(fā)切換控制信號。系統(tǒng)的重頻較高，因此功率放大器電源關斷和接通的速度也要比較高。采用場效應開關管作為功率放大器電源的開關。

圖2為功率放大器電源開關結構框圖，控制信號（TTL電平）經(jīng)高速比較器整形為低電平接近0V，高電平接近34V的驅(qū)動信號送至場效應管的柵極，當驅(qū)動信號為0V時，場效應管截止，功率放大器的電源被切斷，當驅(qū)動信號為34V時，場效應管導通，功率放大器的電源被接通。

圖2 功率放大器電源開關結構框圖

3.2 限幅器設計

限幅器常用在接收設備的前級，對超過門限的大功率輸入信號限幅，起到保護后級敏感電路和器件的作用。限幅器一般由輸入端口和輸出端口上的隔直流電容器和集成式二極管限幅器電路組成。集成電路包含著透過50傳輸線并聯(lián)的平面摻雜阻擋層（PDB）或Schottky二極管。限幅器在低輸入電平時有很低的插入損耗和線性特性，可提供對瞬態(tài)或短時間過載的保護。本文采用Agilent公司提供的HSMP2822的串聯(lián)型二極管對來用做限幅器，圖3（a）是二極管對的結構，（b）是構成限幅器的安裝方式，（c）為限幅器的等效電路圖。

3.2 高速接收開關設計

發(fā)射機在發(fā)送脈沖期間，功率放大器輸出的大部分能量通過環(huán)行器饋入天線，因為環(huán)形器隔離的兩個端口之間的隔離度約為25dB，所以仍有少部分能量耦合到環(huán)形器接收輸出端口，天線不是理想匹配會導致耦合到環(huán)行器接收輸出端口的能量加大，這部分能量經(jīng)過接收通道前面的限幅器時被衰減到不損壞后面電路的水平，但是衰減后的信號電平仍足以讓低噪聲放大器等后級有源電路進入深度飽和狀態(tài)，電路從深度飽和狀態(tài)恢復到正常工作狀態(tài)需要一定的時間，這個時間稱為飽和恢復時間。飽和恢復時間會增加雷達的盲距。按照設計要求，發(fā)射期間收發(fā)隔離度需要大于90dB。環(huán)行器在天線良好匹配的情況下，隔離端口之間的隔離度為25dB，考慮到天線的輕微失配，環(huán)形器的隔離度僅能按照20dB考慮。因此接收開關的通斷比應該超過70dB。

圖3 歐姆阻抗端接限幅器原理圖

接收開關的速度會影響到雷達探測的盲距，因此應該選擇高速射頻開關作為接收開關。選用ADG901作為制作接收開關的開關元件，它的輸入輸出口都是連接50負載到地的。為了達到設計的要求，采用兩片ADG901串聯(lián)的方式來提高隔離度。單片ADG901的插損在本系統(tǒng)工作的頻段內(nèi)約有0.5dB的插損，兩片串聯(lián)則有約1dB的插損。實際制作的接收開關的隔離度除跟芯片的特性有關外，還跟布線和屏蔽腔體的尺寸有關。兩片ADG901串聯(lián)做成的接收開關實測的隔離度為73dB，插損1.1dB，達到了設計的要求。圖4為接收開關和限幅器的實物圖。

圖4 高速接收開關和限幅器實物

3.3 接收預選濾波器設計

為了得到性能較好的接收機前端，濾除接收機中的各種干擾信號，保留有用信號，必須在接收機前端適合的地方放置濾波器，尤其是放置于系統(tǒng)第一級的預選濾波器，它的性能好壞直接影響了整個接收機射頻前端的噪聲系數(shù)。必須將預選濾波器的損耗降至最低，同時還必須使其具有系統(tǒng)所需要的選擇特性。實際選用的是1類陶瓷電容濾波器，圖5是雙通道預選濾波器的測試結果，可看出，在帶外濾波特性極為陡峭，抑制性能較好，通帶紋波小于0.3dB；通帶和阻帶指標達到了設計要求。

圖5 接收預選濾波器性能實測結果

3.4 低噪聲放大器設計

在各種特定（帶寬BW、解調(diào)信噪比S/N已定）的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關鍵因素就是降低接收機的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機的噪聲系數(shù)的關鍵部件就是處于接收機最前端的低噪聲放大器。低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，所以低噪聲放大器的設計對整個接收機來說是至關重要的。本系統(tǒng)的低噪聲放大器采用兩級串聯(lián)的形式，在噪聲系數(shù)滿足設計指標的同時具有足夠高的增益。前級采用萬通的WHM02AE，后級采用Mini-circuits的MAR-8ASM。由于WHM02AE只使用數(shù)量很少的不同的外圍元器件，因此它能形成最低的噪聲系數(shù)和最佳的匹配，并且適用于各種頻段的放大器。低噪聲放大器的增益較高，封閉在30mm×30mm×20mm的腔體內(nèi)，需要避免自激，兩個放大管均為無條件穩(wěn)定的，因此實際使用中主要是避免輸出到輸入的反饋。首先，在電路結構設計上做到充分的電源濾波，其次是在PCB布板上做好阻抗控制、盡量增加兩級的距離，圖6為低噪聲放大器的實物圖。

圖6 低噪聲放大器實物

圖7給出了低噪聲放大器性能測試結果，可以看出低噪聲放大器約有45dB的增益，實測的結果達到設計的目標。

圖7 低噪聲放大器實測結果

圖8是將功率放大器高速開關、預選濾波器、低噪聲放大器，接收開關以及限幅器集成在一起并采用腔體進行屏蔽的實物圖。

圖8 T/R組件屏蔽腔內(nèi)電路實物圖

4 性能測試結果

T/R組件主要完成發(fā)射功率放大，收發(fā)隔離和接收低噪聲放大等功能。圖9是完整的T/R組件實物：

圖9 完整的T/R組件實物

經(jīng)測試，T/R組件達到的主要電氣指標如下：

工作頻率：420 MHz—450MHz；

發(fā)射功率：≥50W；

發(fā)射通道增益：41±1dB；

接收通道增益：45±0.5dB；

接收通道噪聲系數(shù)：≤2.5dB；

收發(fā)隔離度：≥90dB；

5 結論

瞬態(tài)極化雷達系統(tǒng)的發(fā)射功率小，作用距離短，因此雷達的作用盲距不能太大，這就要求射頻前端的T/R組件有很高的轉(zhuǎn)換速度。目前，能夠承受數(shù)十瓦功率的T/R轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度都在幾十微秒到毫秒量級，因此造成的盲距均在數(shù)公里以上，而且體積較大，價格昂貴，顯然不適合本系統(tǒng)。

通過廣泛分析計算可能的技術方案，最終確定了環(huán)行器，限幅器和射頻開關相結合的T/R轉(zhuǎn)換器的研制方案。接收機噪聲系數(shù)主要由天線到低噪聲放大器之間的傳輸損耗和低噪聲放大器的增益和噪聲系數(shù)決定。在系統(tǒng)設計與實現(xiàn)過程中，通過盡量減少傳輸損耗并提高第一級低噪聲放大器的增益，以降低接收機的噪聲系數(shù)。

該方案以較低的研制成本達到系統(tǒng)的需求，幾乎是目前唯一可行的方案。實驗證明，在保證安全的情況下，研制的T/R組件承受的功率超過100W，造成的盲距小于800米，達到設計指標要求。