運動目標(biāo)雷達回波信號模擬＊

吳建剛 黃 敏 汪寅安

（1.海軍駐武漢三江航天集團軍代室 武漢 430040）（2.中國航天科工四院紅峰公司 孝感 432000）

1 引言

多普勒雷達根據(jù)運動目標(biāo)的回波信號獲取目標(biāo)信息，為了對多普勒雷達系統(tǒng)性能方便進行測試，需要模擬運動目標(biāo)的回波信號。

與發(fā)射信號（fc）相比，回波信號根據(jù)目標(biāo)雷達截面積和距離變化，還會因為彈目相對運動產(chǎn)生多普勒頻移（fd）。

其中多普勒頻率為

式中：VR為彈目接近速度；λ為工作波長。

要實現(xiàn)運動目標(biāo)回波信號模擬，多普勒信號的加載是其關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 多普勒信號加載原理

多普勒信號的加載，其實質(zhì)是頻譜的搬移。混頻器是常用的頻譜搬移器件，其輸入輸出頻率特性可以表示為

與載波相比，多普勒信號頻率非常小，直接變頻無法將差頻與和頻分開，因此本文采用多級變頻方式實現(xiàn)多普勒信號加載。

首先采用數(shù)字方式將多普勒信號加載到頻率較低的中頻信號上，進行上變頻，再作為射頻信號的本振，經(jīng)過多級變頻解決了多普勒信號加載的問題。其原理框圖如圖1所示。

基帶信號IF1與頻率為fLO的本振上變頻，作為1本振，另一路含有多普勒信號的基帶信號IF2與頻率為fLO的本振上變頻作為2本振，射頻輸入信號（fc）與1本振下變頻，再與2本振上變頻，將多普勒信號加載到載波中。

圖1 多普勒信號加載原理框圖

IF1頻率為fIF，IF2與IF1相比，增加多普勒頻移fd，為fIF＋fd。

經(jīng)過第一次變頻，

1本振頻率

2本振頻率

射頻輸入信號fc與1本振下變頻，再與2本振上變頻，頻率為

經(jīng)過多次變頻，將多普勒信號加載到載波中。

其頻譜搬移過程如圖2所示。中頻IF1、IF2由DDS直接合成，受器件及成本限制，其頻率較低，雷達載波信號fc頻率往往很高，為了系統(tǒng)的可實現(xiàn)性，需要合理選擇參數(shù)，尤其是本振頻率。

圖2 頻譜搬移過程

1）本振fLO1中除了含有和頻成分fLO＋fIF外，還有差頻成份fLO－fIF，為了有效地濾除差頻成份，要求fLO＋fIF與fLO－fIF有足夠的相對頻差。即相對頻差Δf要足夠大，這就要求fLO不能太高（相對Δf），但又不能太低，否則會導(dǎo)致1本振fLO1頻率太低（相對于載波信號fc），與fc下變頻無法有效濾除fc＋fLO1，甚至需要再增加變頻級數(shù)才能實現(xiàn)。

綜合考慮，可以參照以下關(guān)系選擇參數(shù)：

因此，本振頻率選擇參考值為

1本振和2本振分別由中頻信號經(jīng)過上變頻得到，由于存在變頻損耗，因此需要增加一級放大以提供足夠的本振功率。射頻鏈路上根據(jù)輸入和輸出功率要求增加放大和衰減。

3 雜波及其抑制

實際選擇本振頻率，還要考慮器件非理性特性所產(chǎn)生的雜波影響。

實際的放大器是非線性的，輸出信號v0與輸入信號vi關(guān)系為

當(dāng)輸入信號為單頻信號，輸出信號中包含有高次諧波。放大器工作在線性區(qū)時，其諧波分量比較小，但當(dāng)放大器處于飽和時，其輸出中諧波分量明顯增加，尤其是含有豐富的奇次諧波。

混頻器輸出除了含有和頻和差頻外，還會產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物。混頻器另一個重要特性是端口隔離，LO端口通常是大功率信號，會泄漏到RF和IF端口。處理不當(dāng)，雜波可能會進入帶內(nèi)，對系統(tǒng)性能造成影響。對于選擇合適的LO頻率（或IF頻率）需要權(quán)衡考慮。

為了分析本振信號經(jīng)過放大器和混頻器后可能產(chǎn)生的干擾，在沒有射頻輸入的情況下，對各種頻率成分進行分析。

f0經(jīng)過放大器，由于非線性，輸出有以下主要分量：f0、3f0、5f0，經(jīng)過混頻器，f0和各次諧波分量會泄漏到RF端和IF端，并且會產(chǎn)生這些頻率成分與本振的混頻產(chǎn)物。

泄漏到IF 端口：f0、3f0、5f0；

泄漏到RF 端口：f0、3f0、5f0；

RF與本振混頻輸出到IF 端口：f0±f0、3f0±f0、5f0±f0。

因此，IF端口（或RF端口）輸出信號含有的頻率成分為0、f0、2f0、3f0、4f0、5f0、6f0。

對于本系統(tǒng)第一級變頻輸出，fIF1（或fIF2，其頻率與fIF1近似相等）與fLO上變頻，作為二級變頻的1本振fLO1（2本振fLO2），其輸出會因本振泄漏產(chǎn)生的fLO，但其功率相對于1本振fLO1、2本振fLO2很小，對射頻鏈路的影響較小。

第二級變頻1本振信號頻率fLO1比接收雷達載波信號頻率fc低很多，1本振信號泄漏到輸出端可以被有效地濾除，但其諧波可能會進入帶內(nèi)無法濾除，而且1本振需要有足夠的驅(qū)動能力，因此增加了一級放大器，可能會產(chǎn)生豐富的諧波，泄漏到輸出端產(chǎn)生雜波干擾。

在ADS對器件非理想特性建模，包括放大器的非線性特性以及混頻器的隔離度根據(jù)實際器件參數(shù)進行建模，在沒有射頻輸入信號的情況下進行諧波平衡仿真，仿真原理圖見圖3（a），仿真結(jié)果見圖3（b），輸出信號中出現(xiàn)各次諧波的組合成分，帶內(nèi)出現(xiàn)了一個雜波信號，其功率為－20dBm。

為了抑制可能存在的干擾，需要合理選擇本振頻率fLO，使fLO1各次諧波成分盡量遠離fc和fc－fLO1，這樣，選頻濾波器可以有效地將雜波濾除。即：

因此，取

本振頻率：

由上一節(jié)得出的fLO參考值

fc雷達工作頻率時確定的，中頻頻率IF由DDS決定，n為正整數(shù)，因此，n是可以確定的。據(jù)此選擇本振頻率，可以有效地降低雜波信號。根據(jù)公式，對本振頻率進行調(diào)整，在此仿真，仿真結(jié)果見圖4。調(diào)整本振頻率后，信號帶內(nèi)雜波功率小于－70dB，全頻帶內(nèi)雜波功率小于－60dBm（取決于濾波器帶外抑制特性）。

圖4 仿真結(jié)果

要讓所有頻率成分都遠離中頻和射頻信號中心頻率有時是困難的，本系統(tǒng)本振頻率較低（相對于射頻頻率），其可能落在中頻和射頻信號帶內(nèi)的頻率成分主要是高次諧波。放大器工作在飽和狀態(tài)會產(chǎn)生明顯的高次諧波，因此，在保證1本振（和2本振）功率足夠的情況下，盡量小。合理選擇本振驅(qū)動放大器參數(shù)和輸入中頻信號（IF1、IF2）功率是減小高次諧波的關(guān)鍵。

射頻鏈路上增益分配也會對雜波有影響，變頻之前放大模塊只對信號放大，不對雜波放大，變頻之后的放大模塊除了對信號放大外，還會對雜波進行放大，但變頻之前增益過大會造成變頻器飽和，產(chǎn)生新的問題，需要綜合考慮合理分配增益。在各模塊不飽和的情況下，將增益較多的分配在前級，可以有效降低雜波信號的干擾。

4 結(jié)語

本文提出了采用多級變頻方式加載多普勒信號來模擬運動目標(biāo)雷達回波信號，并且分析了參數(shù)選擇的原則，中頻（或本振頻率）的選擇是系統(tǒng)內(nèi)部電磁兼容的關(guān)鍵所在，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化各級信號鏈路上的參數(shù)以及合理分配鏈路增益可以有效降低可能存在的雜波干擾。研制的原理樣機通過了整機與多普勒雷達對接驗證。

［1］丁鷺飛.雷達原理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［2］曾興雯.高頻電路原理與分析［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［3］張肇儀等譯.微波工程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［4］李旭東，陳冬，程鵬.二次散射對脈沖激光雷達回波功率的影響［J］.計算機與數(shù)字工程，2012，40（1）.