一種數字T/R組件設計

袁毛 袁君

摘要 數字T/R組件是雷達的重要組成部分，數字T/R組件的好壞直接影響到了雷達的整個性能。本文從采樣時鐘、接收變頻等關鍵點提出了一套技術方案，實現波形還原理想化、接收變頻軟件化、波形產生理想化、時鐘傳輸簡潔化、功放電路高效化，達到數字T/R組件高性能、小型化的目的。

【關鍵詞】有源相控陣雷達 數字T/R組件 軟件化

數字T/R組件是有源相控陣雷達中的核心組件之一。本文提出了一種數字T/R組件設計方案，該數字T/R組件具有頻點分辨率高、接收變頻方式靈活性高、通用性高、數字波形產生靈活可控、時鐘傳輸簡潔可靠、可保證相位一致性、功放電路模塊體積小、重量輕、高效率的特點。

1 設計方案

1.1 D/A采樣時鐘

根據奈奎斯特采樣定理，D/A采樣時鐘應至少大于2倍信號帶寬的采樣頻率。為了更高分辨率，和還原出理想的波形，以及方便濾波器設計，采用大于4倍信號帶寬的采樣率。

1.2 接收變頻

雷達接收變頻設計采用數字接收機替代常規的接收機，數字接收機是軟件無線電在雷達接收機的一種應用，其核心思想是：構造一個開放性、標準化、模塊化的通用平臺，將各種功能（如工作頻率、調制解調形式、數據格式等）用軟件來完成，并使高速寬帶A/D轉換器盡可能地靠近接收前端以至天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線電系統。軟件無線電可以通過增加軟件模塊，很容易增加新的功能，也可以根據所需功能的強弱，取舍選用的軟件模塊。同時，軟件無線電采用了標準化、模塊化的結構，其硬件可以隨著器件和技術的發展而更新或擴展，其軟件也可以隨著需要而不斷升級，需要時還能做到新體制和舊體制產品的互相兼容。

數字接收機相對于常規的接收機具有很大的優勢：

（1）信號在射頻或中頻直接采樣而無需通過檢波，可保留更多的信息;

（2）數字化信號可以長期被存儲，可用更靈活的信號處理方法從數字信號中提取所希望的信息，具有極高的測量參數精度;

（3）高速多位A/D轉換器的應用，不僅提高了數字接收機的工作頻率，擴展了工作帶寬，而且A/D轉換器有效位數的增加，也大大擴展了接收機的瞬時動態范圍;

（4）開放性、標準化、模塊化的通用平臺和軟件，使數字接收機具有高度的靈活性、開放性和通用性。

1.3 數字射頻波形產生

傳統的射頻波形存儲直讀法存在改變載頻不方便的缺點;直接數字頻綜D/A的方法對系統重復周期和采樣時鐘頻率要求較高，選擇不當會影響信號的相參性;基帶波形直讀+數字上變頻+模擬I/Q調制器一般用于寬帶波形產生的方法除了能保證信號的相參性，還能方便的改變載頻頻率和信號的初相。同時，這種波形產生方法的載漏和鏡像抑制相對于單純的基帶波形直讀+模擬I/Q調制器的波形產生方法更有優勢。

基帶波形數據由波形產生計算機生成，并和主控機產生的控制信號通過上行光纖送到T/R組件中光纖傳輸控制模塊中。T/R組件控制模塊先將波形數據進行暫存，發射波形時，將波形取出進行數字延時和發射預正交后，根據同步器發出的同步觸發信號將波形數據流送入D/A芯片，此時數字信號通過數字上變頻及相關處理轉換為模擬I、O中頻信號，再經過正交調制器、濾波放大后形成發射所需要的激勵信號。

由于基帶波形存儲器的波形數據可以隨時更新或切換，輸出波形的時寬、帶寬、周期等都可以受控實時改變，因此可以生成周期或瞬時的任意波形信號，而且該技術能夠很方便的對信號的幅度和相位進行失真補償，從而使系統的輸出波形達到或接近理想波形。

l.4 時鐘傳輸

時鐘傳輸常規方法是采用多套功分網絡方案，多套功分網絡方案即每路時鐘信號單獨傳輸，這種方案有諸多缺點：

（1）線纜數量會成倍增加，不利于陣面擴展和布線;

（2）對外對內接口都會成倍增加，不利于整體布局和小型化設計;

（3）功分網絡的增加，使時鐘信號相位一致性更難保證，要想保證對電纜要求會更高

（4）設計和生產成本會明顯增加;

（5）陣面布線復雜，功分網絡數量多，會降低整機可靠性及維修性。

為盡量避免這些缺點，時鐘傳輸采用倍頻器方案，倍頻器方案工作原理框圖如圖2所示。頻率源產生的基準時鐘和定時板產生的脈沖調制信號通過雙工器合成一路合信號，再通過一套功分網絡送至天線陣面每個T/R組件。合信號在T/R組件內通過雙工器將基準時鐘信號和脈沖調制信號分解開。脈沖調制信號通過檢波器解出導前信號送給FPGA，基準時鐘信號經過倍頻器產生T/R組件工作所需要的時鐘信號。

倍頻器方案相對于多套功分網絡方案而言，節省了一套導前傳輸光功分網絡，不管是在成本上還是在測試性上都更具有優勢。因基準時鐘信號及脈沖調制信號的傳輸頻率都不高，達到T/R組件的功率也不要求太大，故時鐘功分網絡可以用無源功分網絡，這樣相位一致性及可靠性會更好保證。倍頻器相對于多工器而言，設計及硬件電路會更復雜，這樣對電磁兼容設計要求會更高。但只要合理布局及采取充分的隔離措施，倍頻器方案應該是比較簡潔可靠的方案。

1.5 功放電路

功放管是放大器的心臟，它的性能將很大程度上影響整個放大器的性能。寬禁帶氮化鎵（ GaN）高電子遷移率晶體管（High ElectronMobility Transistor，HEMT）具有高擊穿電壓、大電流輸運能力、高功率密度及良好的頻率特性，能滿足寬帶、高效率、大功率、小型化固態發射的需求。采用第三代寬禁帶材料制作的體積小、重量輕、高效率的固態T/R模塊，可以滿足新一代有源相控陣雷達在功率輸出、功率密度、效率、線性、工作電壓和溫度方面的新要求，在尺寸、可靠性方面比Si和GaAs制造的固態放大器和電子管放大器更有優勢。

2 結束語

本文采用較高的D/A采樣時鐘以達到提高頻點分辨力，還原出理想波形的目的。接收變頻方案引入了“軟件化”的概念，靈活性高、更具開放性、通用性。基帶波形直讀+數字上變頻+模擬I/Q調制器方法保證了信號的相參性，并使輸出波形靈活可控。時鐘傳輸電路簡單可靠，保證相位一致性，高性能功放管的采用保證了雷達數字T/R組件功率、效率、小型化方面的要求。

參考文獻

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