向波 王冰 朱文松
（中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）
雷达阵列技术经历了无源阵列、有源阵列到数字阵列，目前数字阵列技术代表了相控阵雷达的最新发展水平。然而，当前数字阵列动辄上千个阵列单元在重量、体积、功耗、成本上给整机装备带来不小的成本压力[1]。通过可扩充设计，基于数字阵列雷达灵活的处理能力和良好的抗干扰性能，数字阵列雷达将具备良好的升级和拓展优势，从而满足雷达、通讯、侦查、对抗、识别等多样化任务需求。
随着雷达处理能力越来越强，任务需求越来越多样化，超宽带成为数字阵列雷达的重要发展趋势[2]。在超宽带雷达设计中，传统的砖块式集成形态将导致系统占用空间、重量等指标居高不下，集成度和可扩充性较差[3]。将射频前端以SiP 形式进行片式集成，数字采集和频率源采用子板形式以刀片式进行集成，前端和后端盲配连接，使接收机在天线包络之内，从而形成可扩充能力。该设计兼顾了小型化可扩充和高性能与易实现、高可靠等优势。
可扩充超宽带数字接收机包括接收模拟SiP、超宽带数字采集、频率源和结构。如图1 所示。接收模拟SiP 完成多通道宽带信号低噪声放大、变频和滤波功能。超宽带数字采集实现中频信号的数字化、数字下变频等功能。频率源完成系统所需时钟的产生、分配等。结构完成各个模块的集成，将16 通道接收机集成在4×4 天线阵列的包络内，如图2 所示。
图1：可扩充超宽带接收机组成框图
图2：可扩充超宽带接收机集成示意图
1.1 模拟接收SiP
模拟接收sip 以四通道为基本单元，采用毫米波变频方案[4]，将输入的2-18GHz 信号，经过限幅器、低噪放、预选开关滤波器组、数控衰减器、多功能芯片，一次变频至22.5±0.5GHz，再经带通滤波、二次变频、增益放大、开关滤波器组，输出中频信号1.8GHz，带宽1GHz、400MHz 可选。原理框图如图3 所示。
图3：模拟接收SiP 功能框图
模拟接收SiP 采用硅基多层集成设计，通过电磁设计优化，内部集成4 个宽带接收通道、2 对本振信号放大功分网络和1 套电源馈电串口接口变换，实现在一个硅基封装内超宽带射频接收变频功能。然后将4 套模拟接收SiP集成在56×56mm的PCB板上，与其他模块互连。
1.2 超宽带数字采集
数字接收分系统以FPGA 和ADC 为核心，设计FPGA 处理子板与ADC 采集子板，两块子板采用板级叠层的方式，实现八通道的数字化接收机。FPGA 子板包括：高性能FPGA、时钟扇出、多路发送光模块、DC-DC 等。ADC 子板包括：匹配电路、超高速ADC、时钟管理、LDO 等。由子板叠层构成的8 通道超宽带采集板主要完成以下几种功能：①通过ADC 完成中频信号的数字化；
②通过TTL 完成射频前端控制。③通过GTH 完成系统参数接收及IQ 数据上传。如图4 所示。
图4：超宽带数字采集功能框图
为了无失真的完成瞬时带宽为1GHz的中频数字化，ADC 的采样率至少大于2GHz，考虑到滤波器设计以及最优化FPGA 资源，采样率选取2.4GHz。考虑到多通道同步采集需求，选用JESD204B 接口的ADC 器件[5]。数字处理以及打包需要FPGA 具有足够的DSP 资源和足够的GTH 高速接口，以保证大容量数据的实时处理和传输。时钟管理模块实现时钟产生和扇出功能。电源管理模块采用DC-DC 与LDO 电源级联结构，为器件提供高质量电源输入。
1.3 频率源
频率源提供模拟接收SiP 所需的超低相噪本振和超宽带数字采集所需的低抖动ADC 采样时钟和FPGA 基准时钟[6]。频率源通过直接和间接频率合成两种方法产生以上时钟。选取100MHz 恒温锁相晶振作为系统基准，所需的10MHz 和2.4GHz 时钟直接合成产生，以获得较好的相位噪声；
本振采用间接合成产生，以减少设备量，简化电路。原理如图5 所示。频率源采用SiP 集成方式，实现高性能、小尺寸、轻重量的设计。
图5：频率合成原理框图
1.4 结构
结构实现16 通道超宽带数字接收机各分立模块的组装，包括射频前端的片式集成，后端超宽带数字采集、频率源的刀片式集成，以及两个模块间的接口盲配，并在片式和刀片式结构中嵌入散热冷板，实现整个超宽带数字接收机的结构固定，信号、电源的互连。
模拟接收SiP 采用瓦片式堆叠进行集成，一次变频采用螺钉紧固在第一层金属框架板上，正面采用射频连接器与天线阵子连接；
背面通过弹性连接器与二次变频基板连接，二次变频基板与第二层金属板紧固；
第三层金属板与变频基板弹性接触，中间通过转接kk 与电源板背面盲配连接，电源板正面射频与低频接口，通过盲配形式与后端数字模块实现电连接。结构设计保证了该接收机可按照阵列规模进行拓展，增加了模块的灵活性和可升级性。
FPGA 用于实现超宽带数字接收机的数字化接收、数据预处理和高速数据传输。数字化信号通过与1.8GHz数字本振进行混频，获到正交的零中频信号。为了适应数字信号处理端的数据率要求，采用2 级2 倍抽取将高达2.4Gsps 的数据率降至600Msps，相应的信号带宽由1000MHz 将至400MHz。如图6 是FPGA 软件实现框图。
图6：FPGA 软件实现框图
第一级抽取采用半带滤波器，以节省FPGA 乘法器资源，并降低功耗；
第二级采用相位线性度较好的FIR滤波器，将第一级未滤掉的高频成分滤除干净。抽取出的IQ 基带数据进行打包后，通过光纤传输至后端。
基于上述系统架构，设计出可扩充2-18GHz 超宽带数字接收机样机。接收机的动态范围是其关键指标，测试结果如表1 所示。测试频点覆盖接收信号带宽的上下边界点。相比于ADC 芯片标称的SNR=59.7@1800MHz，SFDR=73dBFS@1800MHz 数据。本系统测试结果具有一定的差距，原因可能是该可扩充超宽带数字接收机具有一定程度的小型化特征，滤波电路设计也需要优化。
表1：1.3G～2.3GHz 范围不同频点采集数据的SNR、ENOB、SFDR 结果
超宽带数字接收机是当前电子装备向射频数字化前置、超大规模、多功能一体化等趋势发展的重点研究对象。对常规宽带数字接收机进行可扩充设计，可以提升接收机模块的灵活性、可拓展性、可升级性，并在一定程度上减小体积、重量和成本。文中介绍的可扩充的2-18GHz 超宽带数字接收机样机，实现了瞬时带宽1GHz 的宽带接收，在集成方式上采用了片式+刀片式结合方式，实现了接收机可按照阵列规模可扩充，同时接收机的动态范围能够满足工程应用的要求。
猜你喜欢子板超宽带框图基于Optistruct翼子板分析汽车零部件(2022年7期)2022-08-03基于多模谐振器的超宽带滤波器设计成都信息工程大学学报(2022年2期)2022-06-14汽车轮胎与翼子板视觉美观性分析汽车实用技术(2022年5期)2022-04-02捷豹I-PACE纯电动汽车高压蓄电池充电系统（三）汽车维修技师(2019年7期)2020-01-16翼子板典型缺陷分析及改进方案模具制造(2019年10期)2020-01-06超宽带雷达建筑物结构稀疏成像雷达学报(2018年3期)2018-07-18电路图2017年凯迪拉克XT5汽车维修技师(2018年11期)2018-05-11一种基于射频开关切换的伪随机编码超宽带多发多收雷达设计雷达学报(2017年1期)2017-05-17算法框图的补全中学生数理化·高一版(2017年1期)2017-04-25一种脊波导超宽带滤波器电子制作(2016年11期)2016-11-07