1 引言

瞬態(tài)極化新體制雷達(dá)對(duì)于提高雷達(dá)系統(tǒng)在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的探測(cè)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(jià)值。其主要功能是探測(cè)雷達(dá)目標(biāo)的極化散射特性，同時(shí)測(cè)得目標(biāo)的極化散射矩陣的4個(gè)參數(shù)，避免了傳統(tǒng)的分時(shí)極化測(cè)量體制固有的測(cè)量精度差、補(bǔ)償校準(zhǔn)復(fù)雜的缺陷，因而為準(zhǔn)確測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的極化散射矩陣提供了技術(shù)保證。

2 T/R組件介紹

T/R組件是瞬態(tài)極化雷達(dá)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(lái)自上變頻組件的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)由環(huán)行器送至限幅器，經(jīng)接收開(kāi)關(guān)、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(diǎn)介紹功率放大器高速開(kāi)關(guān)、限幅器、接收開(kāi)關(guān)、接收預(yù)選濾波器和低噪聲放大器的設(shè)計(jì)過(guò)程。

圖1 T/R組件結(jié)構(gòu)示意圖

3 T/R組件設(shè)計(jì)

3.1 功率放大器電源高速開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

接收期間，天線接收的信號(hào)經(jīng)環(huán)行器進(jìn)入接收鏈路，同時(shí)被功率放大器放大的噪聲和本振信號(hào)也會(huì)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(hào)可能比有用信號(hào)還要大，以至于將有用信號(hào)淹沒(méi)，甚至造成接收機(jī)阻塞。為解決這一問(wèn)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(hào)取自收發(fā)切換控制信號(hào)。系統(tǒng)的重頻較高，因此功率放大器電源關(guān)斷和接通的速度也要比較高。采用場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管作為功率放大器電源的開(kāi)關(guān)。

圖2為功率放大器電源開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖，控制信號(hào)(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(dòng)信號(hào)送至場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0V時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管截止，功率放大器的電源被切斷，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為34V時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，功率放大器的電源被接通。

圖2 功率放大器電源開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 限幅器設(shè)計(jì)

限幅器常用在接收設(shè)備的前級(jí)，對(duì)超過(guò)門(mén)限的大功率輸入信號(hào)限幅，起到保護(hù)后級(jí)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(guò)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(shí)有很低的插入損耗和線性特性，可提供對(duì)瞬態(tài)或短時(shí)間過(guò)載的保護(hù)。本文采用Agilent公司提供的HSMP2822的串聯(lián)型二極管對(duì)來(lái)用做限幅器，圖3(a)是二極管對(duì)的結(jié)構(gòu)，(b)是構(gòu)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(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)在發(fā)送脈沖期間，功率放大器輸出的大部分能量通過(guò)環(huán)行器饋入天線，因?yàn)榄h(huán)形器隔離的兩個(gè)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(huì)導(dǎo)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(guò)接收通道前面的限幅器時(shí)被衰減到不損壞后面電路的水平，但是衰減后的信號(hào)電平仍足以讓低噪聲放大器等后級(jí)有源電路進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，電路從深度飽和狀態(tài)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間稱(chēng)為飽和恢復(fù)時(shí)間。飽和恢復(fù)時(shí)間會(huì)增加雷達(dá)的盲距。按照設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)的通斷比應(yīng)該超過(guò)70dB。

圖3 歐姆阻抗端接限幅器原理圖

接收開(kāi)關(guān)的速度會(huì)影響到雷達(dá)探測(cè)的盲距，因此應(yīng)該選擇高速射頻開(kāi)關(guān)作為接收開(kāi)關(guān)。選用ADG901作為制作接收開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)元件，它的輸入輸出口都是連接50

負(fù)載到地的。為了達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，采用兩片ADG901串聯(lián)的方式來(lái)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(shí)際制作的接收開(kāi)關(guān)的隔離度除跟芯片的特性有關(guān)外，還跟布線和屏蔽腔體的尺寸有關(guān)。兩片ADG901串聯(lián)做成的接收開(kāi)關(guān)實(shí)測(cè)的隔離度為73dB，插損1.1dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。圖4為接收開(kāi)關(guān)和限幅器的實(shí)物圖。

圖4 高速接收開(kāi)關(guān)和限幅器實(shí)物

3.3 接收預(yù)選濾波器設(shè)計(jì)

為了得到性能較好的接收機(jī)前端，濾除接收機(jī)中的各種干擾信號(hào)，保留有用信號(hào)，必須在接收機(jī)前端適合的地方放置濾波器，尤其是放置于系統(tǒng)第一級(jí)的預(yù)選濾波器，它的性能好壞直接影響了整個(gè)接收機(jī)射頻前端的噪聲系數(shù)。必須將預(yù)選濾波器的損耗降至最低，同時(shí)還必須使其具有系統(tǒng)所需要的選擇特性。實(shí)際選用的是1類(lèi)陶瓷電容濾波器，圖5是雙通道預(yù)選濾波器的測(cè)試結(jié)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(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖5 接收預(yù)選濾波器性能實(shí)測(cè)結(jié)果[!--empirenews.page--]

3.4 低噪聲放大器設(shè)計(jì)

在各種特定(帶寬BW、解調(diào)信噪比S/N已定)的無(wú)線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機(jī)的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就是處于接收機(jī)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(hào)，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(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收機(jī)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。本系統(tǒng)的低噪聲放大器采用兩級(jí)串聯(lián)的形式，在噪聲系數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的同時(shí)具有足夠高的增益。前級(jí)采用萬(wàn)通的WHM02AE，后級(jí)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(gè)放大管均為無(wú)條件穩(wěn)定的，因此實(shí)際使用中主要是避免輸出到輸入的反饋。首先，在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jí)的距離，圖6為低噪聲放大器的實(shí)物圖。

圖6 低噪聲放大器實(shí)物

圖7給出了低噪聲放大器性能測(cè)試結(jié)果，可以看出低噪聲放大器約有45dB的增益，實(shí)測(cè)的結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

圖7 低噪聲放大器實(shí)測(cè)結(jié)果

圖8是將功率放大器高速開(kāi)關(guān)、預(yù)選濾波器、低噪聲放大器，接收開(kāi)關(guān)以及限幅器集成在一起并采用腔體進(jìn)行屏蔽的實(shí)物圖。

圖8 T/R組件屏蔽腔內(nèi)電路實(shí)物圖

4 性能測(cè)試結(jié)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(shí)物：

圖9 完整的T/R組件實(shí)物

經(jīng)測(cè)試，T/R組件達(dá)到的主要電氣指標(biāo)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(jié)論

瞬態(tài)極化雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射功率小，作用距離短，因此雷達(dá)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(jí)，因此造成的盲距均在數(shù)公里以上，而且體積較大，價(jià)格昂貴，顯然不適合本系統(tǒng)。

通過(guò)廣泛分析計(jì)算可能的技術(shù)方案，最終確定了環(huán)行器，限幅器和射頻開(kāi)關(guān)相結(jié)合的T/R轉(zhuǎn)換器的研制方案。接收機(jī)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)盡量減少傳輸損耗并提高第一級(jí)低噪聲放大器的增益，以降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)。

該方案以較低的研制成本達(dá)到系統(tǒng)的需求，幾乎是目前唯一可行的方案。實(shí)驗(yàn)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(guò)100W，造成的盲距小于800米，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。