一种小型化、宽带、多通道雷达接收机

一种小型化、宽带、多通道雷达接收机作者：郭雪锋方立军马骏张焱来源：《中国科技博览》2015年第27期[摘要]介绍了一种工作在Ku波段的小型合成孔径雷达接收机。

该雷达接收机包含1宽4窄多路接收通道，最大带宽240MHz。

能够实现宽带高分辨、多通道GMTI、和差测角、DBF 波束零点抗干扰等多种模式。

详细分析了接收机设计方法。

通过采用数字锁相、中频采样，高集成度等技术，实现了系统小型化，该接收机体积288×120×57 mm3，质量2.5kg，功耗35W。

采用合理的系统设计解决了信号幅相一致性难题。

最大带宽条件下的脉压测试结果表明第一副瓣较主瓣低13dB以下。

接收机通过挂飞验证，能够满足雷达系统使用需求。

[关键词]合成孔径雷达接收机小型化宽带多模式多通道中图分类号：TN957.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）27-0129-02A Miniature Wide-band and Multi-channel Radar ReceiverGUO Xue-feng， FANG Li-jun， MA Jun， ZHANG Yan（No.38 Research Institute of CETC， Hefei 230088， China）[Abstract]A miniature synthetic aperture radar receiver in Ku band is introduced. The receiver has multi channels， including one wide-band channel and four narrow-band channels. The maximal bandwidth is 240MHz. It supports many functions such as high resolution， GMTI， sum and difference angle measurement， and DBF et.al. The receiver is designed elaborated and miniaturized by technologies of digital phase lock， IF sampling and high integration design. The size， quality and power consumption of the receiver are 288×120×57 mm3， 2.5kg and 35W. The amplitude and phase coherence was solved by optimized system design. The pulse compression was done with the maximum bandwidth. The first side lobe suppression is below -13dB. The receiver passed through flight test. It can meet modern radar’s requirement.[Key words]Synthetic Aperture Radar； Receiver； Miniaturization； Wide-band； Multi-mode； Multi-channel1 引言雷达接收机的主要作用是放大和处理雷达回波信号，广义的接收机包含频率源，能够提供全机时钟和本振，以及发射信号波形。

随着科学技术的发展，现代军事的竞争需要雷达提供更先进的性能，对雷达接收机的要求主要体现在以下几个方面：小型化高集成度，宽带高分辨率，多模式多通道接收[1]。

小型化、高分辨、多模式工作是合成孔径雷达发展的需要。

高分辨率是合成孔径雷达永恒的追求之一，但现代合成孔径雷达不仅仅具有高分辨成像功能，还常常综合了动目标检测能力、和差波束定位功能、自适应天线抗干扰等功能，某些雷达为解决宽测绘带与高分辨率的矛盾，还在方位向采用多通道采样。

因此“一宽多窄”接收模式是现代多功能合成孔径雷达的通用结构。

另外，合成孔径雷达多工作于运动小平台。

环境要求需要接收机体积小、重量轻、可靠性高，以提高雷达性能和集成度。

特别是有源相控阵雷达，更需如此[2]。

本文介绍一种小型化雷达接收机，针对现代合成孔径雷达需求设计，适用于弹载或无人机载平台，能够应对当前主流雷达功能：宽带高分辨模式、多通道GMTI模式、和差测角模式、DBF波束零点抗干扰模式等。

雷达接收机最大工作宽带240MHz，包含1宽4窄5个接收通道，体积288×120×57mm3，质量2.5kg，功耗35W。

2 系统设计2.1 系统架构按功能划分，接收机主要包含：波形产生、激励上变频、频率合成器、接收通道和数据采集，见图1。

波形产生和激励上变频产生雷达信号，并搬移至发射频率。

频率合成器以晶振为参考，提供全机时钟和本振。

接收通道有5路，宽带通道的信号带宽包含240MHz、80MHz、40MHz三种，分别对应1m、3m和5m的分辨率。

窄带通道有4路，带宽10MHz。

数据采集包含多路AD，采样后对窄带信号做数字解调，数据通过光纤输出。

系统中预留一条发射到接收的耦合通道，做校准和自闭环测试用。

2.2 波形设计雷达数字波形形成主要有两种办法：一是基带产生加正交解调的方法；二是采用DDS技术在中频产生信号。

基带产生方法的优点是便于对通道失真进行数字补偿，缺点是数据存储量大，不适合脉宽、带宽、调制方式实时变化的场合。

用DDS方式产生波形更为灵活，这种方法受限于数字电路的水平。

好在高速数字电路的迅猛发展，支持了在较高中频直接合成雷达波形。

但对于更宽的信号带宽还需要采用一些设计技巧，比如对于DAC器件的瓶颈可以使用跨Nyquist域工作方案，对于FPGA的瓶颈限制可以使用多器件并行处理。

2.3 接收通道宽带通道由于信号带宽大，不易进行数字处理，因此采用模拟解调，基带采样方式。

模拟解调后的信号带宽减半，减轻了采样难度。

由于宽带通道主要为实现SAR成像功能，需要保证基带IQ信号间幅相一致性。

系统设计中将解调频率设置在2400MHz，相对带宽10%，适合正交解调器的设计，容易做出比较高的幅相一致性[3]。

实测的IQ幅相一致性达到±0.2dB和±1°，能够满足雷达需求。

此外，宽带通道使用开关滤波器对三种带宽雷达信号进行选择，能够有效降低各模式带外干扰，降低成像噪底。

针对窄带通道数量多，带宽窄的特点，窄带通道使用中频采样方式，省略了解调器和开关滤波器，能够有效减小设备体积。

窄带信号在数字域解调和滤波，虽然信号带宽小，但通道数量多，又是还要求做DBF，因此要选择资源丰富的数字器件。

另外，窄带通道之间的幅相一致性较难控制。

本文中雷达接收机的测量结果：以一个窄带通道为基准，测试得到其余3个通道的最大幅度误差分别为2.2dB、1.6dB和0.6dB，最大相位误差分别为30°、23°和22°。

这样的幅相误差是没法满足雷达系统需求的。

模拟器件难以解决事情在系统设计中通过后期数字补偿的方法加以解决。

通过在系统中设置耦合校准通道，雷达每次工作前先校准，记录下四通道间的幅相误差，由于模拟通道普遍具有时不变特性，正常工作时可以在数字域将其补回来。

2.4 校准回路除了上述主要信号路径，输出到输入之间还提供了一条耦合通道，用于系统检测和校准。

为了保证雷达系统正常工作，各通道间需要保持较高的幅相一致性，应该达到0.5dB和±2°[4]，而模拟器件在Ku波段较难做到这样的指标。

通过校准通道可以把通道间误差记录下来，在后期数字处理时进行补偿。

这种方法可以有效的降低设计难度，提升系统性能。

校准通道通过工作模式选择，不影响雷达正常工作。

3 系统集成雷达分配给接收机的外形体积是288×120×57mm3，质量2.5kg。

结构设计时将图1中的各电讯功能模块进行合并集成，提高系统集成度，缩减体积。

接收机结构在高度方向上划分为3层：最下层的数字收发包含波形产生和数据采集厚度18mm；中间层是频率源包含晶振、频率合成器和激励上变频，厚度19mm；顶层是接收通道，包含1路宽带通道和4路窄带通道，厚度20mm。

见图2，照片后面的4孔插座做尺寸对比用。

由于波形产生和数据采集主要为数字电路，采用集成设计可以共用时钟和FPGA，提高集成度，节约系统资源，减小体积重量，但提高了布局布线和电磁兼容设计的难度。

频率源部分采取分腔设计的方案，有效隔离不同频率信号间的串扰。

多路通道本振功分做在通道内部，利于通道扩展。

通道设计采用多层基板技术，陶瓷多层基板包括元器件安装层（顶层）、信号层、电源层、接地层和对外连接层（底层）等几部分陶瓷介质位于各导体层之间起电绝缘作用[5]。

结构设计时除了小型化还需着重考虑减重和散热问题。

频率源和数字收发做上下腔设计，共用底板，减轻壳体质量。

对于发热量大的器件，如FPGA、AD、电源等做散热突台，保证热量能够顺利导在壳体上。

接收机调试时使用风扇散热，工作状态下由系统提供的液冷散热。

4 研制结果将系统的校准通道连通，使用自闭环检测信号波形的脉冲压缩结果。

以最宽带宽240MHz 为例，采集的信号频谱见图3（a），脉冲压缩结果见图3（b）。

脉压第一副瓣低于主瓣13dB 以下，距离偏移由采样延时和系统延时导致。

接收机完成了高、低温存储，高、低温工作，以及长时间开机工作等可靠性检测实验，性能稳定可靠，并进行了挂飞验证。

主要指标列于表15 结论该雷达接收机包含宽带微波信号的产生、接收和采集。

采用数字锁相以及中频采样、数字解调技术简化系统结构，降低设备体积重量。

一宽多窄多通道架构，满足雷达系统宽带高分辨、多通道GMTI、和差测角、DBF波束零点抗干扰等多种工作模式。

随着雷达技术的发展，产品品种越来越多，研制周期越来越短，模块化设计、统一性设计能够减少重复设计，提高效率。

按照接收机的特点，将其划分为数字收发、频率源和接收通道3个部分进行设计是比较合理的。

除了统一性好、效率高，这样的系统设计还便于系统拓展。

每一部分可单独升级换代而对其他部分影响较小。

参考文献[1] 向敬成，张明友.雷达系统[M].北京：电子工业出版社，2001.[2] 丁鹭飞，耿富录.雷达原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.[3] 方立军，马骏，章曦.一种宽带正交解调器的实验研究.现代电子，2000，（4）：30～32.[4] 常文革，祝明波，梁甸农.宽带线性调频信号产生技术研究.信号处理，2002，（2）：113～117.[5] 陈兴国，李佩，刘同怀，黄鲁.新型的轻小型化雷达接收机的研制.通讯与电视，2005，（5）：57～59.。