超導接收前端在L波段雷達中的應用研究

孟憲猛

(安徽博微長安電子有限公司 安徽 六安 237012)

0 引言

對于L波段雷達，容易受到電臺、電視臺和無線基站等信號的干擾，隨著這些信號的分布點的增多，信號的功率密度的增大，會對雷達的性能造成嚴重影響[1]；另外，電子對抗中的阻塞式干擾、噪聲壓制干擾也會嚴重影響雷達的性能。

在L波段雷達接收前端的設計過程中，為了提高系統的抗干擾性能，可將微波窄帶濾波器放置在低噪聲放大器之前，受到窄帶濾波器的技術水平限制，濾波器具有較大的插損，增加了接收系統的噪聲系數，降低了系統的靈敏度；若將微波濾波器設計在低噪聲放大器之后。低噪聲放大器為寬帶器件，雷達工作頻段外的電臺、電視臺和通信基站等信號，會進入低噪聲放大器，并在放大器中產生寬頻的交調信號，形成交調干擾，影響著雷達的性能[2]。

超導接收前端采用了具有較高頻率選擇特性的超導濾波器，濾波器可以實現近似理想的濾波特性，是常規濾波器無法比擬的[3]。另外超導濾波器的帶寬可以做的非常窄，帶邊陡峭度高，可以有效濾除離邊帶很近的干擾信號，可以有效解決雷達的干擾問題。本文主要對超導接收前端的特點、對雷達的性能影響進行分析研究，設計了一型超導接收前端，并在L波段雷達系統上應用進行試驗分析。

1 超導接收前端組成及特點

1.1 組成

超導接收前端主要由超導濾波器組、低溫低噪聲放大器、微波開關等低溫微波器件和提供低溫真空環境的制冷機與杜瓦等部件構成[4]，組成框圖如圖1所示。

圖1 超導接收前端的組成

其中制冷機采用小型斯特林制冷機，為超導濾波器組、低噪聲放大器等電子組件提供工作所需的低溫環境，保證濾波器、放大器等能夠在超導特性下正常工作。由于前置放大器處于低溫的工作環境，有效降低它的噪聲系數，提高了接收信號的靈敏度。另外，超導濾波器放置于低噪聲放大器之前，可以有效濾除帶外干擾信號。

1.2 特點

1)極高的頻率選擇性和帶外抑制能力

當超導材料溫度降低到轉變溫度之下時，其微波表面電阻非常的小，比普通金屬的微波表面電阻低幾個數量級，幾乎無損耗[5]。相對于常規濾波器，利用超導薄膜制成的濾波器具有極低的插入損耗、極高的帶外抑制，仿真結果如圖2所示，對L波段的超導濾波器和常規濾波器的插入損耗、帶外抑制能力等關鍵指標進行測試比較，結果如圖3所示。

圖2 超導濾波器和常規濾波器的性能比較

圖3 超導濾波器和常規濾波器測試數據比較

從圖2和圖3中可以看出，超導濾波器的插入損耗小、頻率選擇特性高，具有理想的濾波性能，是常規濾波器無法相比的。

2)極低的噪聲系數

電子熱運動影響微波器件的噪聲，是一項關鍵因素，而器件工作的環境溫度直接影響電子熱運與相關，在低溫條件下，電子的熱運動變得緩慢，此時微波器件的噪聲會顯著降低，影響超導濾波器、放大器等微波器件的無損特性。因此，超導接收前端具有較低的噪聲系數，低至常規接收前端的1/4-1/9[6]。常規接收前端的噪聲電平會將雷達接收的微弱信號淹沒，而超導接收前端具有較低噪聲，可以有效接收微弱信號，兩者的噪聲性能對比如圖4所示。

圖4 噪聲性能對比

3)組件化的設計

超導接收前端的濾波器、放大器等能夠在超導特性下正常工作，需要制冷機和真空杜瓦低溫、真空環境，除需要高可靠性小型制冷機、微波電子器件以外，還需要進行高效的熱設計、真空密封設計等，為了在雷達系統更好得到應用，需要對超導接收前端進行模塊化、組件化和小型化設計。

2 超導接收前端對雷達的性能分析

2.1 低噪聲性能提升探測威力

接收前端是雷達接收分系統的重要組成部分，接收前端的噪聲系數直接影響雷達系統噪聲系數，雷達系統總噪聲系數主要取決于低噪聲放大器和放大器前面的微波電子器件噪聲。根據雷達威力方程[7]：

式中，Rmax表示為雷達最大作用距離，Pt為雷達的輻射功率，Gt表示為發射天線增益，Gr表示為接收天線增益，λ表示為工作波長，σ為目標的散射截面積，Smin為最小可檢測信號功率，表示為[7]：

英國新馬克思主義學派的代表人物之一胡格維爾特的《發展社會學》一書，在對社會進化過程中的不同階段及各階段中社會系統的功能差異進行了分析的同時，提出了發展理論的研究框架，胡格維爾特將結構功能主義下靜態的單一社會分化和整合的發展視為作為“過程”的發展，將人類社會視為相互聯系和作用的整體更大范圍內的發展視為“互動”的發展，而將某種文化取向和社會關系下的主體行動則視為作為“行動”的發展。結合胡格維爾特的理論框架筆者認為對于現有的關于社會組織的研究可以劃分為幾個類型。

Smin=kT0ΔFFn(S/N)min

式中，k為波爾茲曼常數，T0為標準室內溫度，ΔF為接收機的帶寬，Fn為接收機的噪聲系數，(S/N)min為最小可檢測信噪比。

通過上面分析可知，接收前端噪聲系數的減小，會使接收機噪聲系數得到有效降低，提高系統的接收靈敏度，提升了雷達的探測距離。

2.2 高頻率選擇性提升雷達抗干擾性能

由于常規濾波器的Q值不高，濾波器很難實現較窄的帶寬，而超導濾波器通過優化設計，具有較高的Q值，可以使濾波器的帶寬做到非常的窄，接近于雷達工作頻點，可以有效濾除雷達帶外的干擾信號[8]。雷達采用常規接收機前端時，目標回波信號和干擾信號都會送到雷達后端信號處理，而采用了超導接收前端之后，超導濾波器可以有效地濾除干擾信號，有利于雷達的信號與數據處理。對于廣播電視、無線基站等民用干擾信號，采用超導濾波器則可以有效濾除這些外部干擾信號，同時也會濾除交互調干擾，有效提升雷達的抗干擾性能。

3 實例分析

3.1 樣機設計

1)超導濾波器

超導濾波器采用微帶結構諧振器形式，根據雷達系統對濾波器中心頻率、帶寬、帶內插損和帶外抑制等要求，采用切比雪夫響應設計法進行濾波器設計，確定了濾波器的節數、諧振器微帶線的寬度、諧振器的長度、各諧振器之間距離等具體參數。

通過濾波器的仿真和優化設計，確定濾波器的節數為6節，濾波器電路中線條寬度為0.12mm，諧振器的長度為濾波器中心頻率對應波長的一半。選用MgO基片(介電常數為9.68，厚度為0.51 mm)，設計的濾波器電路如圖5所示，設計的濾波器在某頻點的頻率響應曲線如圖6所示。

圖5 設計的微帶濾波器電路圖

圖6 某頻點的濾波器頻率響應曲線

從圖6中可以看出，設計的超導濾波器具有較好的頻率選擇性和帶外抑制能力，其中濾波器的帶寬為3MHz，在雷達F0±7MHz時，帶外抑制能力可以達到80dB。

低溫低噪聲放大器要求具有高增益、低噪聲，由于超導接收前端真空腔和制冷機負載工號有限，放大器電路設計采用兩級放大，其中第一級放大電路工作在液氮低溫環境下，第二級放大電路工作在常溫工作環境下，電路設計選用HEMT器件實現低噪聲放大，設計的電路如圖7所示。

3)制冷機

制冷機采用小型斯特林制冷機，具有體積小、功耗低和可靠性高等特點，滿足系統制冷量的需求。

將超導濾波器和低溫低噪聲放大器器件安裝于低溫真空腔內，采用斯特林制冷機制冷，與控制電路模塊、電源等一起進行組合化、集成化設計，設計的超導接收前端樣機如圖8所示。

圖7 低溫低噪聲放大器示意圖

圖8 超導接收前端

設計的樣機在工作狀態下，對其主要技術指標進行測試，并和雷達的常規接收前端的技術指標進行對比，結果如表1所示。

表1 超導接收前端與常規接收前端主要性能對比

從表1可以看出，相比常規接收前端，雷達超導接收前端具有較低的噪聲系數，較好的頻率選擇性和帶外抑制能力。

3.2 試驗分析

為驗證超導接收前端對雷達性能的提升，以某型 L波段雷達為例，在雷達系統上加裝超導接收前端，與原來雷達的常規接收前端并行連接，如圖9所示，通過開關切換雷達可工作在常規和超導兩種狀態下。

圖9 超導接收前端在雷達上的加裝方式

該雷達的接收機靈敏度為-107dBm，系統的噪聲系數約為1.7dB，通過計算可知，當雷達工作頻帶外同時存在兩個大于-54dBm的帶外干擾時，產生的互調干擾信號會高于目標的檢測門限，影響目標的探測。

采用帶外干擾模擬試驗，在雷達陣地附近施放兩個大于-54dBm的L頻段帶外干擾。在干擾條件下，雷達分別采用常規接收前端和超導接收前端進行空中目標探測。使用頻譜儀對常規/超導接收前的和經過常規/超導接收前端的信號頻譜進行測量，結果如圖10所示，在常規和超導狀態下雷達的終端顯示界面如圖11所示。

從圖10中可以看出，常規/超導接收前端前的兩個帶外干擾信號分別為-46.98dBm和-49.09dBm，帶內產生的干擾信號為-84.51dBm；經過常規接收前端后帶外干擾信號分別為-15.29dBm和-18.19dBm，帶內產生的干擾信號為-60.84dBm；經過超導接收前端后帶外干擾分別為-84.65dBm和-85.28dBm，帶內產生的干擾信號為-81.62dBm；相比常規接收前端，經過超導接收前端后干擾信號強度明顯降低，有效濾除雷達頻帶外的干擾信號。從圖11中可以看出，雷達采用常規接收前端，干擾區域的雷達目標幾乎消失，無法正常探測目標；雷達采用超導接收前端，干擾區域的雷達目標幾乎都可以正常探測，雷達探測能力恢復。因此將超導接收前端應用于L波段雷達中可有效抑制雷達的帶外干擾，提升雷達的抗干擾能力。

圖10 干擾信號頻譜

圖11 雷達顯示界面

4 結束語

通過對超導接收前端高頻率選擇性、低噪聲系數等性能特點的介紹，分析其對雷達系統性能的影響，將超導接收前端應用到L波段雷達系統上，可有效抑制廣播電臺、無線基站等信號的對雷達的干擾以及雷達受到的同頻段異步干擾，大大提升雷達的抗干擾性能，由于雷達接收系統噪聲系數的降低，提高接收信號的靈敏度，提升了雷達目標探測能力。

參考文獻:

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