一种数字T/R组件设计

袁毛 袁君

摘要 数字T/R组件是雷达的重要组成部分，数字T/R组件的好坏直接影响到了雷达的整个性能。本文从采样时钟、接收变频等关键点提出了一套技术方案，实现波形还原理想化、接收变频软件化、波形产生理想化、时钟传输简洁化、功放电路高效化，达到数字T/R组件高性能、小型化的目的。

【关键词】有源相控阵雷达 数字T/R组件 软件化

数字T/R组件是有源相控阵雷达中的核心组件之一。本文提出了一种数字T/R组件设计方案，该数字T/R组件具有频点分辨率高、接收变频方式灵活性高、通用性高、数字波形产生灵活可控、时钟传输简洁可靠、可保证相位一致性、功放电路模块体积小、重量轻、高效率的特点。

1 設计方案

1.1 D/A采样时钟

根据奈奎斯特采样定理，D/A采样时钟应至少大于2倍信号带宽的采样频率。为了更高分辨率，和还原出理想的波形，以及方便滤波器设计，采用大于4倍信号带宽的采样率。

1.2 接收变频

雷达接收变频设计采用数字接收机替代常规的接收机，数字接收机是软件无线电在雷达接收机的一种应用，其核心思想是：构造一个开放性、标准化、模块化的通用平台，将各种功能（如工作频率、调制解调形式、数据格式等）用软件来完成，并使高速宽带A/D转换器尽可能地靠近接收前端以至天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线电系统。软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的功能，也可以根据所需功能的强弱，取舍选用的软件模块。同时，软件无线电采用了标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展，其软件也可以随着需要而不断升级，需要时还能做到新体制和旧体制产品的互相兼容。

数字接收机相对于常规的接收机具有很大的优势：

（1）信号在射频或中频直接采样而无需通过检波，可保留更多的信息;

（2）数字化信号可以长期被存储，可用更灵活的信号处理方法从数字信号中提取所希望的信息，具有极高的测量参数精度;

（3）高速多位A/D转换器的应用，不仅提高了数字接收机的工作频率，扩展了工作带宽，而且A/D转换器有效位数的增加，也大大扩展了接收机的瞬时动态范围;

（4）开放性、标准化、模块化的通用平台和软件，使数字接收机具有高度的灵活性、开放性和通用性。

1.3 数字射频波形产生

传统的射频波形存储直读法存在改变载频不方便的缺点;直接数字频综D/A的方法对系统重复周期和采样时钟频率要求较高，选择不当会影响信号的相参性;基带波形直读+数字上变频+模拟I/Q调制器一般用于宽带波形产生的方法除了能保证信号的相参性，还能方便的改变载频频率和信号的初相。同时，这种波形产生方法的载漏和镜像抑制相对于单纯的基带波形直读+模拟I/Q调制器的波形产生方法更有优势。

基带波形数据由波形产生计算机生成，并和主控机产生的控制信号通过上行光纤送到T/R组件中光纤传输控制模块中。T/R组件控制模块先将波形数据进行暂存，发射波形时，将波形取出进行数字延时和发射预正交后，根据同步器发出的同步触发信号将波形数据流送入D/A芯片，此时数字信号通过数字上变频及相关处理转换为模拟I、O中频信号，再经过正交调制器、滤波放大后形成发射所需要的激励信号。

由于基带波形存储器的波形数据可以随时更新或切换，输出波形的时宽、带宽、周期等都可以受控实时改变，因此可以生成周期或瞬时的任意波形信号，而且该技术能够很方便的对信号的幅度和相位进行失真补偿，从而使系统的输出波形达到或接近理想波形。

l.4 时钟传输

时钟传输常规方法是采用多套功分网络方案，多套功分网络方案即每路时钟信号单独传输，这种方案有诸多缺点：

（1）线缆数量会成倍增加，不利于阵面扩展和布线;

（2）对外对内接口都会成倍增加，不利于整体布局和小型化设计;

（3）功分网络的增加，使时钟信号相位一致性更难保证，要想保证对电缆要求会更高

（4）设计和生产成本会明显增加;

（5）阵面布线复杂，功分网络数量多，会降低整机可靠性及维修性。

为尽量避免这些缺点，时钟传输采用倍频器方案，倍频器方案工作原理框图如图2所示。频率源产生的基准时钟和定时板产生的脉冲调制信号通过双工器合成一路合信号，再通过一套功分网络送至天线阵面每个T/R组件。合信号在T/R组件内通过双工器将基准时钟信号和脉冲调制信号分解开。脉冲调制信号通过检波器解出导前信号送给FPGA，基准时钟信号经过倍频器产生T/R组件工作所需要的时钟信号。

倍频器方案相对于多套功分网络方案而言，节省了一套导前传输光功分网络，不管是在成本上还是在测试性上都更具有优势。因基准时钟信号及脉冲调制信号的传输频率都不高，达到T/R组件的功率也不要求太大，故时钟功分网络可以用无源功分网络，这样相位一致性及可靠性会更好保证。倍频器相对于多工器而言，设计及硬件电路会更复杂，这样对电磁兼容设计要求会更高。但只要合理布局及采取充分的隔离措施，倍频器方案应该是比较简洁可靠的方案。

1.5 功放电路

功放管是放大器的心脏，它的性能将很大程度上影响整个放大器的性能。宽禁带氮化镓（ GaN）高电子迁移率晶体管（High ElectronMobility Transistor，HEMT）具有高击穿电压、大电流输运能力、高功率密度及良好的频率特性，能满足宽带、高效率、大功率、小型化固态发射的需求。采用第三代宽禁带材料制作的体积小、重量轻、高效率的固态T/R模块，可以满足新一代有源相控阵雷达在功率输出、功率密度、效率、线性、工作电压和温度方面的新要求，在尺寸、可靠性方面比Si和GaAs制造的固态放大器和电子管放大器更有优势。

2 结束语

本文采用较高的D/A采样时钟以达到提高频点分辨力，还原出理想波形的目的。接收变频方案引入了“软件化”的概念，灵活性高、更具开放性、通用性。基带波形直读+数字上变频+模拟I/Q调制器方法保证了信号的相参性，并使输出波形灵活可控。时钟传输电路简单可靠，保证相位一致性，高性能功放管的采用保证了雷达数字T/R组件功率、效率、小型化方面的要求。

参考文献

[1]丁鹭飞，耿富录，雷达原理（第三版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2 006.

[2]李玮.宽带数字T/R组件接收通道实现技术研究[D].电子科技大学硕士论文，2009.

[3]吴曼青，数字阵列雷达的发展与构想[J].雷达科学与技术，2008，6 （06）： 401405.