一種基于D D S的相控陣雷達數字T/R組件數字信號產生設計

荊州南湖機械股份有限公司 楊 柳 陳 婷 智東杰

一種基于D D S的相控陣雷達數字T/R組件數字信號產生設計

荊州南湖機械股份有限公司 楊 柳 陳 婷 智東杰

數字化相控陣雷達通過對時間和能量資源的合理調度，可同時完成目標搜索、跟蹤等多項任務。文章介紹了一種基于DDS的數字化相控陣雷達的數字T/R組件數字模塊,給出了系統構成及其工作原理, 闡述其設計方案并給出實驗結果。該數字T/R組件數字模塊具有良好的擴展性、帶寬靈活性、模式多樣性，能夠支撐相控陣雷達發揮最大探測效能。

相控陣雷達；數字T/R組件；數字信號產生

引言

相控陣雷達技術是一種由計算機控制陣列天線各單元的相位、幅度以形成空間波束并控制其掃描的雷達技術。與傳統的機械掃描雷達相比，相控陣雷達具有波束掃描快速、天線波束形狀快速可調、擁有空域濾波能力、多波束形成等優點。

數字T/R組件是相控陣雷達的關鍵部件之一。常規相控陣雷達發射接收波束的形成是通過移相和幅度加權來實現的，而這一工作往往是由陣面上各T/R組件中的移相器、饋線網絡來完成。隨著電子信息的飛速發展,以往數字系統的復雜性和成本也大大降低，可靠性不斷提高，使得以前必須由模擬器件實現的系統能被數字系統代替。另外，數字系統還具有可重復性、可控性和便于集成等優點，因此在雷達中的應用也日趨廣泛。

本文主要介紹數字T/R組件數字化的核心部分——數字信號產生模塊（簡稱數字模塊），其主要特征為：利用DDS技術完成雷達信號產生、頻率控制、幅相控制的一體化實現，其輸入輸出信息均數字化。

1.組成與工作原理

數字T/R組件數字模塊A/D對發射耦合信號、回波信號/測試信號（測試時不采回波）進行直接射頻采樣，經數字濾波、正交插值、數據抽取處理，形成數字I/Q信號（即幅相數據/數字回波）經光纖下行通道到DBF分系統，完成波束合成后輸出到信號處理分系統。數字T/R組件數字模塊負責監測各工作狀態下幅相的監測并通過數據傳輸鏈路回傳監測結果。

2.數字模塊設計

2.1 D D S

結合T/R組件實際使用情況，選用的DDS器件直接輸出中頻，外部混頻得到射頻。以DDS為核心，結合FPGA控制電路、混頻放大器構成T/R組件激勵源。信號參數的控制由主控計算機通過光纖進行發送，FPGA接收后，控制DDS完成相應的信號輸出。由于在雷達的實際發射過程中，大部分采用的是大時寬帶寬的脈沖信號，因此在系統硬件設計的架構中，FPGA還完成了一定的脈沖輸出功能，對DDS輸出的連續波信號進行脈沖調制，從而達到輸出雷達脈沖信號的能力。

2.2 光纖接口

光模塊主要是將電信號轉換成光信號，然后通過光纖送給下一級。設計時主要考慮的是光模塊傳輸速率、光信號的波長、接收靈敏度和光模塊的穩定性，結合行業技術成熟度，選擇TLight SFP系列的雙纖雙向光模塊TLC310M03G。

2.3 A/D

選用A/D芯片時主要考慮了以下幾個方面：

1）采樣速率；

2）信噪比SNR；

3）無失真動態范圍；

4）轉換位數；

5）全功率輸入帶寬；

基于上述幾個方面，我們選擇了LINEAR公司的14位采樣A/D芯片，這款芯片主要是為數字高頻寬帶信號設計的，它有著70dB的SNR和90dB的SFDR，以及1.25GHz的全功率輸入帶寬，這讓它能夠很好地采樣高頻率信號，滿足設計指標要求。

2.4 F P G A

同步信號處理、通訊、A/D芯片和DDS芯片的控制、采樣數據的正交插值、濾波、數據抽取等均在FPGA軟件中實現。

采用Altera系列的器件，為40nm器件，屬于ALTERA公司Stratix IV GX系列，具有豐富高速的硬件單元和自定義的協議軟核，結合各類驅動芯片、采樣芯片、模擬轉換芯片、光收發模塊等，可完成各種外設管理、數字采樣，數字頻率合成、外設故障檢測、高速光通訊等功能。

2.5 F P G A軟件

T/R數字模塊軟件接收主控發送的控制指令，完成指令分解，輸出對發射通道、接收通道的控制信號，控制DDS產生指定頻率和掃描方式的調制信號，經過混頻、濾波、放大后向天線輻射；獲取接收通道濾波、混頻之后的模擬信號，將A/D采集后的I/Q數據，依次經過數字下變頻、濾波、正交插值、數據抽取后產生基帶數據；檢測時鐘、導前、電源、溫度等狀態，與基帶數據一起編碼上報。

3.實驗情況

數字T/R組件的數字模塊獨立設計，隨T/R組件一起進行相關試驗驗證，期間將液冷設備與液冷管串聯的三件T/R組件一起進行了高、低溫（高溫70℃，低溫-40℃）試驗，T/R組件工作正常穩定，主要技術指標滿足情況見表1。

表1 數字T/R組件指標滿足情況

4.結論

數字T/R組件數字模塊代替原來由移相器、微波衰減器等構成的模擬T/R模塊，既可以通過軟件控制靈活產生各種雷達波形，如線性與非線性調頻脈沖、多相編碼脈沖波形和相參脈沖串波形等，又可以方便的控制波形捷變和頻率捷變，更可以靈活的對天線陣列進行相位和幅度加權，使天線陣列具有自適應旁瓣抑制、波束賦形、和自適應干擾置零能力。

[1]梁劍．數字化雷達及其發展[J]．雷達科學與技術,2008．6(6)：406,410．

[2]楊振起,張永順,駱永軍．雙(多)基地雷達系統[M]．北京：國防工業出版社,1998．

[3]吳曼青．數字陣列雷達的發展與構想[J]．雷達科學與技術,2008,6(6)：401,405．

[4]吳曼青,靳學明,譚劍美．相控陣雷達數字T/R組件研究[J]．現代雷達,2001．23(2)：5760．