3 mm雙圓極化收發變頻組件設計研究*

劉平安，劉滿國，周　帆，張　舵，張健楠（中國兵器工業第203研究所，西安　710065）

3 mm雙圓極化收發變頻組件設計研究*

劉平安，劉滿國，周帆，張舵，張健楠
（中國兵器工業第203研究所，西安710065）

介紹一種應用于毫米波制導體制半實物仿真系統中3 mm收發變頻組件的設計方案。主要對組件中核心器件：中頻放大器、諧波混頻器、3 mm前端低噪放、自動增益控制（AGC）等模塊進行了選型分析和研究。此外，文中對3 mm射頻前端加載圓極化器以適應抗干擾、高分辨雷達體制仿真的要求提出了可行方案。最終，該組件放置在有雷達導引頭參與的閉環仿真實驗中進行檢驗和測試，結論表明該組件應用在毫米波制導仿真系統回路中具有幅相穩定性高、動態范圍大、信噪比高、頻譜性能好等特點。

毫米波制導；變頻組件；低噪放；自動增益控制

0　引言

隨著現代電磁環境的日益復雜，雷達導引頭所接收到的目標回波信號被大量噪聲信號和干擾信號所充斥，這給雷達導引頭的信號處理和對目標檢測、截獲帶來了極大的困難。為了保證雷達尋的導彈的作戰效能和命中精度，在型號研制過程中必須采用先進的毫米波制導體制半實物仿真系統來充分檢驗導彈的性能和可靠性。盡早發現產品設計研制過程中存在的缺陷和問題，為實彈設計的改進與優化提供指導依據［1］。

毫米波射頻收發組件作為毫米波制導半實物仿真系統中重要的組成部分，是連接導引頭空饋信號和射頻目標模擬器的關鍵部件，其性能的穩定與否直接關系到毫米波半實物仿真系統的整體性能。目前，毫米波的應用主要集中在8 mm波段（Ka波段）和3 mm波段（W波段）［2］。隨著現代技術的發展，Ka波段的應用趨于成熟。然而W波段由于國內器件、材料以及工藝等因素的限制［3］，發展比較緩慢，國內的報道大多都集中于單元器件，而組件和系統設計較少［4］。

文中正是基于以上背景，主要對應用在毫米波制導體制半實物仿真試驗系統中的收發變頻組件進行了研究。首先對該組件的系統架構和工作原理進行了系統描述；其次對組件中核心分部件的選型和性能以及在系統中的關鍵技術指標進行了分析和論證；再次針對當前高分辨、抗干擾雷達體制的要求，對該組件進行了雙極化方面的拓展研究；最后對該組件在實際的雷達體制半實物仿真試驗系統中的應用給出了數據分析和結論。

1　變頻組件系統組成

3mm變頻組件包括下變頻部分和上變頻部分，下變頻部分負責信號的接收，上變頻部分負責信號的發射。其原理框圖見圖1所示。下變頻單元對從矩形喇叭天線接收的W波段3 mm雷達信號進行均衡、放大及濾波處理，與接收到射頻信號源產生的100 MHz基準信號并經過組件內部倍頻、放大、濾波處理產生84 GHz本振信號混頻濾波處理后，使毫米波信號下變頻到X波段（8 GHz～12 GHz）的低中頻信號，然后輸出給偵收單元做進一步的處理。此處低中頻處理過程采用撥碼開關的方式形成中頻自動增益控制模塊對輸出信號進行功率調節。同理，上變頻過程就是把射頻信號源或者射頻干擾源生成的低中頻X波段（8 GHz～12 GHz）雷達信號經過均衡、濾波及放大處理后，上變頻到W波段3 mm毫米波信號，并通過喇叭天線輻射出去。

圖1　變頻組件原理框圖

2　器件選型和指標分析

2.1中頻放大器

中頻信號經由濾波器、放大器進入混頻器中頻端做上變頻信號，濾波器是為防止84 GHz本振信號回竄至中頻端，放大器提供所需變頻增益。

中頻放大器選用HMC516和HMC565兩級放大，兩者主要性能指標見表1和表2所示。

表1　HMC516主要參數

前級中頻放大器采用HMC565，其小信號增益為23 dB，輸出級中頻放大器采用HMC516，其小信號增益為20 dB，典型的輸出P-1為+12 dBm，末級加入10 dB衰減片后調整的P-1為+2 dBm。當發射中頻信號為-25 dBm時，整個中頻通道增益約為30 dB，且輸出功率為+2 dBm。

中頻信號送入3 mm通道后，經由混頻器、濾波器、放大器和開關送達天線向外發射。濾波器的作用是為濾除84 GHz本振信號的泄露，以提高射頻信號和本振信號的隔離度，功放的作用是射頻信號達到所需的發射功率，其后的單刀雙擲開關可以通過TTL電平控制選通輸出。

表2　HMC565主要參數

2.2混頻器

以上變頻過程為例。

圖2　上混頻原理

通過圖2和表3的混頻過程分析發現，在諧波混頻的過程中，本振和中頻的6階分量和7階分量都會落在信號帶內，這就要求合理選擇中頻發射功率。過大的中頻發射功率會導致帶內雜散過高，不符合系統要求。過低的中頻發射功率會導致最終的3 mm發射功率不足。根據整體系統的性能要求和實際的應用要求，并且兼顧雜散和3 mm發射功率要求，這里選擇中頻發射功率為+2 dBm。

表3　諧波混頻結果示意

實際測量中，混頻器實際插入損耗為18 dB。

2.33mm低噪聲、高增益放大器

3mm放大器選用CGY2190管芯，其主要性能參數如表4所示，器件資料顯示，在92～96 GHz的頻段上，放大器增益約為20 dB，輸出功率為+2 dBm，單刀雙擲開關的插入損耗為3 dB，計入微帶線損耗，放大器及開關模塊增益約為16 dB。整個3 mm通道的增益合計為-18 dB+16 dB=-2 dB，當它收到來自中頻的+2 dBm信號，輸出信號功率在-1 dB左右，滿足設計要求。

表4　CGY2190放大器主要性能參數

2.4自動增益控制

在下變頻過程中，混頻器輸出中頻信號經由AGC放大器、濾波器和中頻功放輸送至后級信號處理機。AGC中頻放大器是為了提供所需功率并控制功率衰減的模塊；濾波器的作用是為濾除84 GHz本振信號的泄露，以提高中頻信號和本振信號的隔離度，中頻功放的作用是保證輸出信號的P-1值大于15 dBm。

中頻放大器選用HMC516和HMC565，兩級放大器可實現40 dB增益。中頻功放選用的芯片是HITTE公司的HMC451芯片，其增益為20 dB，輸出P-1值為20 dBm，加入數控衰減芯片HMC424和固定衰減片（衰減量為15 dB）后，可以調節整個中頻通道增益為43 dB，輸出P-1＞15 dBm。

數控衰減芯片可以通過5位撥碼開關控制，實現步進1 dB、總衰減量為30 dB的衰減控制。

2.5組件噪聲分析

噪聲系數作為影響雷達威力的重要參數，在雷達系統工程設計時必須進行評估和控制。噪聲系數越低，雷達系統的信號傳輸質量更高，誤碼率更低［5］。上下變頻組件作為雷達系統的一部分，它由多個電路單元級聯組成，而級聯電路的總噪聲系數為：

式中：Fi為第i級電路的噪聲系數；Gi為其對應的功率增益。

不妨以下變頻為例，前端低噪放仍然采用CGY2190管芯，它的噪聲系數為2.8，增益為20 dB，濾波器實測插入損耗0.5 dB，混頻變頻損耗為18 dB，根據式（1）可計算3 mm通道噪聲系數為4.2 dB，足以滿足系統要求。

3　雙圓極化實現與組件測試結果分析

3.1雙圓極化

雷達目標的極化特性是繼能量、頻率和相位特性之后成為雷達信息處理和電子對抗等領域的重要研究對象，在射頻半實物仿真試驗中，為了開展雷達尋的制導導彈在諸如反雜波、抗電子干擾、反隱身、目標幾何結構刻畫、特征提取與目標識別等方面的試驗研究［5］，對射頻收發組件進行了圓極化加載。

如圖1所示，通過在發射喇叭天線前端加載圓極化器，利用TTL電平控制單刀雙擲開關來分時發射左、右旋圓極化信號。圓極化器的實現可以通過在圓喇叭饋電口圓波導內插入膜片、脊、銷釘、介質板或在圓波導對稱壁上開槽等技術實現［6］。加載圓極化器，目的主要是為了建立目標極化散射矩陣S，通過射頻后端采用極化分集技術、自適應極化捷變技術等技術開展雷達極化域抗干擾技術的研究。

極化散射矩陣包含著豐富的極化信息，而極化信息對解決當前雷達面臨的四大威脅（隱身、干擾、低空突防、反輻射導彈）和提高目標識別能力具有重要的意義。

3.2組件的測試與分析

為了驗證該變頻組件的工作性能，將該變頻組件引入到射頻半實物仿真實驗室進行測試，測試簡圖如圖3所示。放置在三軸轉臺上的雷達尋的導引頭發射W波段3 mm空饋信號，變頻組件通過在無回波暗室接收導引頭信號下變頻到X波段送給目標模擬器（圖中未畫出），目標模擬器對來波信號進行延遲、調制處理生成X波段目標信號并傳輸給射頻組件，射頻組件將目標信號上變頻到W波段空饋傳遞給導引頭。

以下變頻為例，導引頭發射W波段步進頻信號，用Agilent N9918A頻譜儀觀測 X波段信號如圖4所示。

圖3　射頻組件測試簡圖

圖4　射頻組件測試頻譜圖

從圖4可以看出，該組件帶內信號平坦，信號幅度起伏在±1.5 dB以內，帶外抑制能力強，信號工作帶寬大，頻譜性能好等特點。進一步，通過長時間和不同方案的測試，該組件具有幅相性能穩定，帶內信號一致性好，帶外雜散少，動態范圍大（大于70 dB），抗噪能力強，工作帶寬寬（可達4 GHz），極化性能優越的特點。

4　結論

文中對應用在毫米波雷達尋的制導半實物仿真系統中的射頻收發組件進行了研究，給出了收發組件設計原理框圖。主要對組件中關鍵器件和性能指標進行了分析和研究，此外，對組件的極化加載也進行了可行性分析和研究。最后將該組件引入到射頻半實物仿真系統中進行了測試和檢驗，結果表明該組件設計良好，性能優越，滿足3 mm雷達尋的制導半實物仿真的要求。

［1］張興利，馬逸超，吳自祿.射頻制導半實物仿真專用毫米波變頻組件設計［J］.電訊技術，2012，52（2）：216 -219.

［2］蘇宏艷，朱淮城.毫米波精確制導技術及其發展趨勢［J］.制導與引信，2008，29（2）：6-10.

［3］向博，竇文斌，何敏敏.三毫米波段二次諧波混頻器［J］.紅外與毫米波學報，2011，30（4）：343-346.

［4］康小克，劉玥玲，蔡鐘斌.Ka頻段固態集成功率放大器的設計［J］.信息與電子工程，2010，8（2）：155 -158.

［5］鄭富強，付建國，李明圖.復雜電磁環境下雷達極化信號的優化接收［J］.艦船電子對抗，2008，31（6）：62-66.

［6］丁曉磊，孟明霞.波導圓極化器技術［J］.遙測遙控，2014，35（4）：10-15.

Design of 3 mm Dual-polarization T/R Frequency Conversion Module

LIU Pingan，LIU Manguo，ZHOU Fan，ZHANG Duo，ZHANG Jiannan
（No.203 Research Institute of China Ordnance Industries，Xi’an 710065，China）

In this thesis，a design scheme for 3 mm T/R frequency conversion module in millimeter guidance hardware-in-the-loop simulation system was introduced.Those placed in module such as IF amplifier，sub-harmonic mixer，3 mm low noise amplifier and automatic gain control（AGC）were mainly analyzed and researched.In this article，a feasible scheme of loading a circular polarizer in the front of the module to achieve anti-jamming and high-resolution was further put forward.According to radar seeker simulation test，the module is proved with fine amplitude and phase consistency，large dynamic scope，high signal-noise-ratio，good spectrum performance and other excellent characteristics in the millimeter guidance hardware-in-the-loop simulation system.

millimeter wave guidance；frequency conversion module；low noise amplifier；automatic gain control

TN858

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.008

2015-01-13

劉平安（1988-），男，陜西洋縣人，工程師，碩士，研究方向：射頻仿真。