Ka頻段射頻對消連續(xù)波雷達前端研制

趙 青

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

Ka頻段射頻對消連續(xù)波雷達前端研制

趙 青

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

介紹了一種全模擬Ka頻段自適應(yīng)射頻對消技術(shù),用于解決連續(xù)波雷達收發(fā)隔離不足的問題。該技術(shù)利用了幅度相等、相位相反矢量疊加后相互抵消的基本原理,采用毫米波解調(diào)器把泄露信號分解為I、Q信號,經(jīng)有源濾波放大網(wǎng)絡(luò)后再通過毫米波矢量調(diào)制器構(gòu)造出與泄露信號等幅反相的矢量,并通過波導(dǎo)耦合器饋入接收通道與泄露信號疊加達到對消效果。采用此技術(shù),研制出了一臺帶對消器的Ka頻段單天線連續(xù)波雷達原理樣機,在600MHz對消帶寬內(nèi),對消度達到25 dB以上,最大對消度35 dB。

Ka頻段;連續(xù)波雷達;射頻前端;泄露對消;毫米波矢量調(diào)制器

1 引 言

連續(xù)波雷達與脈沖雷達相比,具有小的發(fā)射功率、低截獲概率、低功耗和較低電路復(fù)雜度等顯著優(yōu)點,因此在小型化導(dǎo)引頭、雷達、引信和電子戰(zhàn)干擾機等系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用價值。在雷達應(yīng)用中,隔離度是一個很關(guān)鍵的指標(biāo),隔離度不足會帶來至少兩個方面的影響:一是接收噪聲惡化,發(fā)射機邊帶噪聲甚至可能將弱信號直接淹沒;二是靈敏度降低,大的發(fā)射泄露信號可以將接收放大器推飽和。

脈沖雷達可采用電子開關(guān)切換收發(fā)信號獲得30 dB以上隔離度,通過收發(fā)分時加電隔離度可以非常理想。但連續(xù)波雷達除了采用雙天線體制以外,只能通過射頻對消技術(shù)來提高收發(fā)隔離度。

射頻對消可分為無源對消和有源對消兩大類。無源對消是利用多個3 dB正交電橋(或lange耦合器)及同相功分器設(shè)計出平衡式無源網(wǎng)絡(luò),天線反射回波通過這種平衡結(jié)構(gòu)的無源網(wǎng)絡(luò)后可起對消效果。無源對消技術(shù)并不擬合或生成任何對消矢量,只是利用無源網(wǎng)絡(luò)本身的平衡特性對泄漏信號進行對消。采用這種技術(shù)的系統(tǒng),發(fā)射功率損失至少3 dB,接收噪聲也會惡化至少3 dB,也即會導(dǎo)致至少6 dB的系統(tǒng)損失[1-2],并且這種技術(shù)對消效果較有限。

而有源對消又可劃分為模擬式[3]、數(shù)字式[4-5],其基本原理都是構(gòu)造泄漏信號的等幅反相矢量,與泄漏信號疊加以達到對消效果。數(shù)字式需采用DSP及AD、DA等數(shù)字信號處理模塊來對泄漏信號進行分解及量化,并可選用多種自適應(yīng)算法來改善收斂速度,獲得更優(yōu)的對消比。但這種方案設(shè)備量大,成本高,功耗也更大。而且時鐘信號干擾等其他各種數(shù)字噪聲可能耦合到接收通道導(dǎo)致系統(tǒng)性能大幅惡化。而模擬式對消收斂速度快,不會由基帶處理部分引入額外噪聲惡化系統(tǒng)性能,更適合一些要求設(shè)備輕小型、低功耗系統(tǒng)應(yīng)用。

本文采用全模擬式的閉環(huán)式自適應(yīng)射頻對消技術(shù),利用雙向工作的毫米波調(diào)制(解調(diào))器MMIC單片來實現(xiàn)對泄漏信號的分解及對消信號的合成,設(shè)備非常簡單,環(huán)路響應(yīng)時間遠低于數(shù)字式對消。

2 閉環(huán)式自適應(yīng)射頻對消基本原理

2.1 射頻對消基本原理

如圖1所示,矢量 A與矢量B可以合成矢量C。當(dāng)矢量A和B完全等幅反向的時候,合成矢量C=0。射頻對消正是利用了矢量合成的基本原理,通過構(gòu)造泄露矢量 A的等幅反向矢量B就可以對消A。矢量A、B之間的幅度及相位誤差決定對消深度。

圖1 接收矢量合成示意圖Fig.1 Diagram of vector combination

2.2 閉環(huán)自適應(yīng)對消關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)包括兩個方面:一是Ka頻段寬帶矢量調(diào)制器研制,二是自適應(yīng)對消環(huán)路設(shè)計。

2.2.1 Ka頻段寬帶矢量調(diào)制器研制

基本的矢量調(diào)制器原理如圖2所示。輸入信號通過正交功分器分為等幅度而相位差90°的兩個信號I、Q,這兩個正交信號分別經(jīng)雙相調(diào)制器調(diào)制后,再同向功率合成為一路輸出。

圖2 基本的矢量調(diào)制器原理圖Fig.2 Schematic diagram of basic vector modulator

雙相調(diào)制器由正交功分器和一對阻抗可調(diào)負(fù)載組成,輸出信號幅度取決于直通端口及耦合端口反射系數(shù)的幅度和相位。當(dāng)雙相調(diào)制器負(fù)載為低阻抗時(遠小于50 Ψ),信號幾乎完全反相反射;當(dāng)負(fù)載為高阻抗時(遠大于50 Ψ),信號同相反射。當(dāng)負(fù)載阻抗接近50 Ψ時,反射信號幅度接近0。通過調(diào)整控制電壓,改變雙相調(diào)制器負(fù)載,實現(xiàn)幅度和相位的改變,產(chǎn)生矢量調(diào)制效果。

圖3所示矢量調(diào)制器能實現(xiàn)Ka頻段2GHz帶寬內(nèi)任意矢量的調(diào)制。若希望進一步消除寄生參數(shù)影響,改善溫度特性,可采用平衡式矢量調(diào)制器,其固定的高頻響應(yīng)特性有利于改善射頻對消器的溫度穩(wěn)定性。

圖3 矢量調(diào)制器版圖Fig.3VM layout

2.2.2 自適應(yīng)對消環(huán)路設(shè)計

閉環(huán)電路設(shè)計主要包含兩方面內(nèi)容:環(huán)路穩(wěn)定性設(shè)計和環(huán)路時延及相位匹配設(shè)計。

(1)環(huán)路穩(wěn)定性設(shè)計

穩(wěn)定工作是閉環(huán)射頻對消性能指標(biāo)得以實現(xiàn)的前提,只有在保證穩(wěn)定工作的條件下性能指標(biāo)的好壞才有意義。根據(jù)理論分析可得出結(jié)論,當(dāng)I、Q支路的相位誤差小于等于20°,整個對消系統(tǒng)可以看作兩個完全不相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)線性反饋網(wǎng)絡(luò),如圖4所示。此時,環(huán)路可以認(rèn)為是穩(wěn)定的。

圖4 在特定相位誤差條件下的反饋網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Feedback loop with certain phase error

I、Q兩路相位誤差由解調(diào)器正交性、矢量調(diào)制器的正交性以及I、Q兩路有源低通濾波網(wǎng)絡(luò)的相位一致性決定?；祛l器及調(diào)制器在帶寬內(nèi)相位誤差均小于3°;I、Q兩路有源低通濾波網(wǎng)絡(luò)采用同型號同批次器件,并在設(shè)計印制板電路時考慮走線對稱性可使相位誤差小于5°。因此I、Q相位誤差能滿足不大于20°的穩(wěn)定性條件要求。

(2)延時及相位匹配設(shè)計

實際應(yīng)用的連續(xù)波雷達一般采用線性三角波調(diào)頻體制,如圖5所示。固定點頻連續(xù)波體制可以看成是線性調(diào)頻連續(xù)波體制的特例情況,基于線性調(diào)頻體制的分析及推導(dǎo)同樣適用于固定點頻體制。

圖5 線性三角波頻率調(diào)制Fig.5 Diagram of linear triangle wave FM

設(shè)三角波調(diào)制頻率為 fm,調(diào)制帶寬為B,定義發(fā)射泄漏信號和本振信號混頻產(chǎn)生的差拍信號頻率為 fb,則有

設(shè)對消環(huán)路響應(yīng)時間為 tD,則對消環(huán)路相位偏差Δθ滿足

圖6 前端組成框圖Fig.6 Frontend Architecture

以圖6所示的對消閉環(huán)結(jié)構(gòu)進行分析,得到延時匹配兩個設(shè)計要求:

(1)發(fā)射信號到達混頻器本振端所經(jīng)過的路徑A′的電長度應(yīng)與到達混頻器射頻端所經(jīng)的路徑 A的電長度相等;

(2)發(fā)射信號通過路徑B′到達耦合器C1耦合端P點所經(jīng)電長度應(yīng)與通過路徑B到達P點所經(jīng)的電長度相等。

第一個設(shè)計要求保證解調(diào)后差拍頻 fb≈0,Δθ≈0,而第二個設(shè)計要求保證對消信號和泄露信號為同頻矢量。通過計算可得時延匹配誤差應(yīng)小于等于70 ps。延時匹配通過對傳輸路徑的等電長度設(shè)計保證,對路徑A和B′中有源放大器和矢量調(diào)制器帶來的時延應(yīng)依據(jù)實際測量結(jié)果進行相應(yīng)傳輸路徑的電長度補償。

3 單天線連續(xù)波雷達前端研制

3.1 設(shè)備組成

整個前端構(gòu)成如圖7所示,主要包括3個部分:發(fā)射模塊、接收模塊及對消模塊。各模塊之間用波導(dǎo)耦合器連接。接收模塊包括波導(dǎo)微帶過渡、低噪放和正交解調(diào)器;發(fā)射模塊由多級固態(tài)功率放大器組成;射頻對消模塊由有源濾波放大單元、矢量調(diào)制器、相位時延匹配單元等幾部分組成。

圖7 設(shè)備框圖Fig.7 Block diagram of equipment

3.2 關(guān)鍵指標(biāo)分解

(1)對消度指標(biāo)分解

根據(jù)數(shù)學(xué)計算,對消度要大于25 dB,泄露矢量之間幅度誤差小于等于±0.5 dB,相位誤差小于等于±1.5°。

閉環(huán)自適應(yīng)對消方案是個自適應(yīng)收斂過程,對消后的誤差矢量 C解調(diào)為I、Q兩個分量,這兩個分量包含了矢量C完整的幅度及相位信息。I、Q分量將控制有源濾波放大單元從而改變對消矢量 B的幅相特性。當(dāng)整個自適應(yīng)過程收斂達到穩(wěn)態(tài)后,誤差矢量C≈0。因而,需要通過設(shè)計保證對消器最大輸出功率大于泄露功率。

(2)收發(fā)及對消矢量合成單元指標(biāo)分配

發(fā)射單元采用兩級放大器,驅(qū)動級輸出飽和功率大于22 dBm以推動大功率器件輸出大于33.5 dBm?？紤]無源耦合器、波導(dǎo)微帶過渡、環(huán)行器等損耗發(fā)射單元輸出功率大于1 W。發(fā)射信號由環(huán)行器隔離度以及天線駐波造成的泄露進入接收通道最大11 dBm,對消度按25 dB計算,則在對消進入穩(wěn)態(tài)后泄露信號為-14 dBm。此泄露信號電平條件下接收單元能線性工作,只能采用一級低噪放,指標(biāo)分配應(yīng)按對消穩(wěn)態(tài)進行計算。

(3)結(jié)構(gòu)及組裝

各模塊電路均采用雙面布局,射頻電路和低頻電路分布于腔體正反兩面,通過饋電絕緣子連接。

微帶傳輸線與鍍金銅腔體直接焊接。MMIC裸芯片及其他微封裝表貼器件由導(dǎo)電膠直接粘接在腔體底部。

前端結(jié)構(gòu)示意圖及實物照片如圖8所示。左邊為發(fā)射模塊,該模塊有10 W直流功耗,需采取適當(dāng)散熱措施。設(shè)備包括了耦合器、時延匹配腔等多個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)件,波導(dǎo)和平面微帶電路之間以高性能波導(dǎo)微帶過渡進行電連接。裝配中要考慮X、Y兩個方向的對位精度。

圖8 前端結(jié)構(gòu)及實物照片F(xiàn)ig.8 Frontend structure and its photo

從接收端(圖6中 P點后)耦合信號輸出到頻譜儀進行監(jiān)控。發(fā)射信號源掃頻,當(dāng)對消器不工作,耦合信號頻譜如圖9所示。對消器正常工作達到穩(wěn)態(tài)后,頻譜如圖10所示。對比兩圖可以看出,在600MHz帶寬內(nèi)可取得大于25 dB的對消度。

圖9 對消前泄露功率測試結(jié)果Fig.9 Measurement of of the leakage signal before and after cancellation

圖10 對消后泄露功率測試結(jié)果Fig.10 Measurement of the leakage signal after cancellation

前端測試結(jié)果如表1所示。

表1 前端測試數(shù)據(jù)Table 1Measurement data of the front-end

4 結(jié) 論

本文研究了一種全模擬式閉環(huán)自適應(yīng)對消技術(shù),并應(yīng)用此技術(shù)研制出Ka頻段單天線連續(xù)波雷達原理樣機實物,在大于600MHz帶內(nèi)獲得25 dB以上對消度。采用了全模擬式有源對消技術(shù),無需數(shù)字信號處理終端,不會額外引入數(shù)字噪聲,且對消收斂達到穩(wěn)態(tài)時間短,設(shè)備非常簡單,因此,在要求設(shè)備輕小型、低功耗的單天線連續(xù)波雷達系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景。

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ZHAO Qing was born in Luzhou,Sichuan Province,in 1979.She received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2004.She is now an engineer.Her research concerns R&D of millimeter wave module.

Email:qinglemon@gmail.com

Design of Ka-band Front-end with RF Cancellation in Continuous Wave Radar System

ZHAO Qing
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

An analogue adaptive RF cancellation technique is introduced.It bases on the principle that the sum of two vectors with equal magnitude and reverse phase equals to zero.The leakage is decompounded into I-channel and Q-channel signals by millimeter wave(MMW)demodulator,I-channel and Q-channel signals are filtered and amplified,then the opposite vector of the leakage is constructed by MMW vector modulator.Finally,the constructed vector iscoupled into the receiver to cancel the leakage.By adopting this method,a complete front-end demonstrator is developed.Test result shows that the leakage can be cancelled for more than 25 dB over 600MHz,and the maximal value is 35 dB.

Ka-band radar;continuous wave radar;RF front-end;leakage cancellation;MMW vector modulator

TN957

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.027

1001-893X(2012)06-0964-05

2012-04-11;

2012-05-21

趙 青(1979—),女,四川瀘州人,2004年于電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要從事毫米波組件的開發(fā)研究工作。