双流机场天气雷达接收前端国产化的设计与实现

设计如图1所示。除频综以外，其他部分全部封装在一个屏蔽盒内。电源部分对射频接收前端系统供电，频综的5 660 MHz输出通过一个腔体窄带滤波器处理后，其频谱更纯，作为接收机的本振信号。由于频综工作时发热较为严重，因此特别设计了一个冷却风扇，来对频综进行风冷处理。这一搭配从原理和性能上均有不错的表现，但是由于发射射频信号为5 630 MHz，正好落在一个宽频的其他干扰信号的频带内，造成接收信号的异常。为解决这一问题，将设计[2]改成在频综的上层，增加一个变频电路，使发射信号偏离干扰频带。

1 系统信号流程

1.1 发射信号

频综输出47.5 MHz、5 560 MHz和5 630 MHz 3个相参的、正弦连续波信号[3]。47.5 MHz参考信号被一个功分器一分为二，一路仍然作为数字接收机与信号处理器的参考基准输入，另一路则作为变频器的输入信号。变频器由ZMX-7GR无源混频器担任，将频综输出的5 530 MHz信号作为混频器的本振输入信号；将混频器的中频输出端用作信号输入端，送入47.5 MHz信号；将混频器的射频输入端用作变频输出端，进行混频处理，得到混频后的5 582.5 MHz信号和其他频率成分。通过腔体窄带滤波器后，5 582.5 MHz信号输出，其他信号被滤除掉，该信号作为发射射频信号。5 582.5 MHz的发射射频信号，被送入射频前置放大器（即前面提到的发射信号产生与驱动电路）中，首先被调制成具有升余弦形状的射频脉冲，然后被放大到具有足够的输出功率（≥8 W）。

速调管功率放大。该信号被输入到速调管（这时主要增益级），进行功率放大，作为功率微波源，从天线发射出去，探测气象数据。

1.2 接收信号

降水目标产生的回波，被天线接收以后，通过馈线送到接收前端。

为了回波信号的信噪比不至于因为同轴电缆传输的衰减而明显下降，高频放大的第一级前移到这里来。信号被放大后，传输衰减的影响大为减少。

滤除带外信号，对传输衰减进行补偿性放大后，信号在这里与本振信号一起，被混频器混频，生成中频信号，经滤波后输出，无需像模拟接收机那样，要把中频作为主要增益部件。在数字中频接收机中，中频部件要采用线性中频放大器（对数放大器会造成频谱的变化，影响多普勒性能），增益要求也不能太高。中频信号在这里被放大约25 dB，扣除掉中频滤波器、功分器以及线路衰减外，仍有18 dB左右的实际增益。从功分器分出两路信号来，一路作为数字中频接收机的输入信号，另一路则被送到对数放大器中去。在对数放大器中信号被放大、检波后，送出带检查接口。通过示波器可以方便地观察对数视频信号，用于分析和判断接收机前端以及数字接收机的性能。

1.3 数字信号

线性中频信号被送到数字接收机与信号处理器中，由数字中频接收机直接将模拟中频信号变成数字中频信号，经过数字下变频处理，形成复基带信号（I/Q信号），同时可以获得处理增益，提高信号的信噪比，并提高系统的动态范围。

在数字信号处理器中，复基带信号被处理成基本的物理数据，即反射率因子、平均速度和速度谱宽，这些物理量被送到计算机中，进行显示、传输和存储，已被气象业务应用。

2 限幅器-LNA组合前端及下变频器

限幅器-LNA组合前端包括一个无源限幅保护器（型号WLM-73-1W-S+）和一个低噪声放大器1（型号TA053-059-22-10），置于接收放大链的最前端。

2.1 限幅器

限幅器WLM-73-1W-S+作为环流器和波导限幅保护器的辅助保护措施，对大功率发射的微波的泄漏进行最后一级的保护。

2.2 低噪放和下变频器

低噪放采用高性能模块TA053-059-22-10。下变频的前端设有一个C波段滤波器（窄带腔体滤波器，中心频率5 582.5 MHz）和一个低噪声放大器（ERA-2SM，噪声系数4 dB，在5 582.5 MHz频率时增益9 dB），在混频器（ZMX-7GR）中实现下变频（本振信号5 660 MHz@10dBm），通过中频滤波器（SBP-70+）输出77.5 MHz中频信号。

2.2.1 补偿性放大

由于限幅器-LNA组合输出的线路太长（超过2 m），传输损耗比较严重。因此，前端信号送来、进行一次滤波后，需对这种衰减进行补偿性放大。ERA-2SM能满足这种较低增益的放大要求。

2.2.2 下变频

下变频由ZMX-7GR混频器担任。频综送来的本振信号，在图1中表示为经过一个可调衰减器来调整输入功率。实际调试中，采用一个极窄带滤波器，将频综内的其他频率杂散滤除掉，效果很好。滤波器的插损正好可以省掉衰减器。混频后得到中频信号，该77.5 MHz中频信号经过中频滤波器后送到下一级去。中频滤波器采用SBP-70+模块，其中心频率为70 MHz，77.5 MHz中频频率略微偏离中心，但衰减不大，其通带插损约为1.5 dB。

3 中频组成部件

中频部件[4]包括线性中频放大器、中频滤波器功分器和对数放大器等部分。

3.1 中频放大器

中频放大器与中频滤波器组成一个通带放大器。中频放大器选用GVA-82+集成宽带放大器，+5 V供电，15 dB的增益，20 dBm的1 dB压缩点，很适合用作中放。其6 dB的噪声系数，在中频放大的位置，几乎没有影响。中频滤波器仍采用SBP-70+模块。

3.2 功分器

中频功分器采用WILKINSON SPLITTER电路实现，中频功分器的工作频率范围可达100 MHz，回路损耗约18 dB，插入损耗约3.3 dB，隔离度约20 dB。功分器前端也设计一个补偿性放大器，采用GVA-81+集成宽带放大器，+5 V供电，10 dB的增益，15 dBm的1 dB压缩点。这两部分封装在一个屏蔽盒内。

至此，有两路中频输出，一路连接到一个对数中频放大器上，另一路连接到数字中频接收机上。

3.3 对数中频放大器

对数中频放大器的目的是为了产生一个方便检查的信号，这样有利于对雷达整机系统性能的估测和分析。对数中频放大器采用集成器件AD8309，做成模块形式，由6级高低双增益模块组成，每个双增益模块最高增益12 dB。对每级模块的输出进行检波，并电流叠加，再有电流-电压转换器以电压的形式，输出与输入功率的对数成正比的电压信号。

4 频综

頻综为外购件，47.5 MHz和5 560 MHz为常态输出的正弦连续波信号。5 630 MHz为受调制的输出信号，属于ASK类型。通过ASK输入一个TTL电平的脉冲信号，可以产生射频脉冲输出。但是这种阶跃性的调制会导致频谱较大程度的扩散，因此，在雷达发射信号上，一般不能这样使用。实际应用中，把ASK直接接成高电平，则5 630 MHz也变成了正弦连续波信号。

这三个信号是相参的，输出功率均接近15 dBm。正如前述，5 560 MHz信号作为接收链路的本振信号，要经过一个窄带滤波器，送到混频器ZMX-7GR的本振输入时，功率大约达到10 dBm。

对无源混频器ZMX-7GR进行的理论分析和实验表明，该混频器的本振信号LO仍作为输入不变，另外两个端口可以交替使用，就是将中频输出IF作为输入，而将射频输入RF作为输出，则RF上差频的分量比较强。47.5 MHz从IF输入，5 530 MHz从LO输入，混频输出得到5 582.5 MHz信号，通过腔体窄带滤波器后，作为发射的射频信号源。

5 结论

接收机理论指出[5]，接收机灵敏度（最小接收信号）Simin与接收机带宽Bn及其噪声系数F0有关：

Simin=-114dB+10·lgBn（MHz）+10lgF0

接收机带宽表明了能通过接收机的噪声多寡；噪声系数F0则表明了接收机产生额外噪声的程度。在没有其他处理的条件下，一般超外差接收机的灵敏度为-90～110 dBm。

该系统模拟射频前端的噪声系数优于2 dB，最小脉宽0.8μs时，带宽最大为1.25 MHz。此时，计算得到接收机灵敏度为-111 dBm。实际测量中，通过测量对数视频的输出，可以判断，模拟射频前端的灵敏度与计算值相当。为了准确测量，在射频前端的限幅器-LNA组合的输入端作为输入，以中频功分器输出的中频信号作为输出，信号源频率调5 582.5 MHz作为标准信号，设置不同功率电平，对输出端的77.5 MHz中频信号进行功率测量，得到结果如图2所示。可见，动态范围超过90 dB，灵敏度优于-110 dBm，线性度优于±0.5 dB。在数字中频接收机中，由于数字下变频的处理增益和数字视频积分的累积增益（总共不会少于15 dB），最终结果原则上远远优于模拟前端的性能，没有变得更差的理由。

参考文献

[1]丁鹭飞，耿富录.雷达原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002：89-213.

[2]李润旗.微波电路CAD软件应用技术[M].北京：国防工业出版社，2006：29-48.

[3]向敬成，张明友.雷达系统[M].成都：电子科技大学出版社，1997：113-176.

[4]张玉兴.射频模拟电路[M].北京：电子工业出版社，2002：35-80.

[5]戈稳.雷达接收机技术[M].北京：电子工业出版社，2005：51-136.