翟江鵬，陳細秋，馬牧遠

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍61876部隊，海南 三亞 572022； 3.西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安 710000)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求武器平臺具備偵察、通信、電子對抗等多種功能，以滿足信息化聯(lián)合作戰(zhàn)使用需求[1-2]。雷達和通信系統(tǒng)在功能及工作方式上存在較大區(qū)別，但是它們在系統(tǒng)組成上卻有極大的相似性，均由發(fā)射機、接收機、收發(fā)信道模塊、天線系統(tǒng)及信號處理單元等硬件模塊組成，為雷達通信一體化設(shè)計帶來了可能性[3-4]。

相控陣天線憑借波束捷變掃描、適于裝備平臺賦型搭載、通道冗余可靠性高等特點在雷達、通信、測控等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已成為未來綜合電子系統(tǒng)的主流應(yīng)用設(shè)備[5]。雷達系統(tǒng)采用收發(fā)分時工作方式，通信系統(tǒng)則通常采用收發(fā)全雙工工作方式，因此在進行雷達通信一體化設(shè)計過程中需要對相控陣天線收發(fā)隔離進行重點設(shè)計。本文對全雙工相控陣天線系統(tǒng)收發(fā)隔離進行理論分析，以非同頻全雙工相控陣天線為例，給出了收發(fā)隔離設(shè)計方案。

1 原理分析

收發(fā)全雙工相控陣天線工作原理框圖如圖1所示，在發(fā)射鏈路中，發(fā)射信號經(jīng)移相器后輸入至功放模塊進行功率放大，發(fā)阻濾波器對功放輸出信號進行濾波處理，抑制發(fā)射信號工作帶寬外雜散諧波，濾波后的發(fā)射信號由發(fā)射單元天線輻射輸出。接收鏈路中，接收單元天線對部分發(fā)射信號進行耦合接收，收阻濾波器對接收到的信號進行濾波，抑制接收頻點帶寬外信號，濾波后信號經(jīng)低噪放放大及移相處理后由信號接收采集單元進行采樣處理。收發(fā)隔離主要通過濾波設(shè)計，加強收發(fā)鏈路隔離和降低發(fā)射鏈路對接收鏈路的干擾。

圖1 全雙工相控陣天線收發(fā)鏈路框圖

發(fā)射鏈路發(fā)阻濾波器主要作用：阻止發(fā)射鏈路功放模塊非線性特性產(chǎn)生的交調(diào)信號落入接收鏈路工作帶內(nèi)，交調(diào)信號會影響接收鏈路正常工作；降低耦合進入接收鏈路的發(fā)射噪聲，接收鏈路收阻濾波器無法對該噪聲進行濾除，因該噪聲同接收信號工作頻點、帶寬一致。因此發(fā)射鏈路發(fā)阻濾波器必須將發(fā)射交調(diào)信號降低至接收鏈路噪聲水平以下，并將發(fā)射鏈路噪聲降低至合適水平，使其不會導(dǎo)致接收鏈路低噪放輸出飽和。

接收鏈路收阻濾波器主要作用：避免因發(fā)射鏈路輸出信號功率太大，導(dǎo)致接收鏈路低噪放飽和；對耦合進入的接收鏈路發(fā)射信號進行抑制，避免由于低噪放的非線性導(dǎo)致該信號同接收頻點信號產(chǎn)生交調(diào)信號。

通過噪聲系數(shù)可分析耦合噪聲的增加對接收系統(tǒng)性的影響，噪聲系數(shù)是用來反映射頻模塊內(nèi)部噪聲水平的重要指標，通常被定義為射頻網(wǎng)絡(luò)輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值。接收鏈路低噪放自身噪聲系數(shù)為F，發(fā)射端噪聲耦合進入低噪放，導(dǎo)致低噪放噪聲系數(shù)增加，可表示為：

Fe=FΔF

(1)

式中，ΔF表示耦合噪聲對低噪放噪聲系數(shù)的調(diào)整量，ΔF≥1，F(xiàn)e表示加入耦合噪聲后低噪放的噪聲系數(shù)。

假設(shè)低噪放增益為G，低噪放輸入噪聲功率為Ni，則輸出噪聲功率可表示為：

No=GNi+(F-1)GkT

(2)

式中，k=1.38×10-23J/K，為玻爾茲曼常數(shù)，T為環(huán)境室溫。

假設(shè)同等功率輸出噪聲由全部由低噪放自身產(chǎn)生，此時低噪放噪聲系數(shù)為Fe，則輸出噪聲功率可表示為：

No=(Fe-1)GkT

(3)

將式(2)、式(3)等同，對其進行簡化可求得：

Ni=(Fe-F)kT=(ΔF-1)FkT

(4)

由式(4)可知低噪放輸入端噪聲功率Ni對低噪放噪聲系數(shù)調(diào)整量為ΔF，低噪放輸入端噪聲的增加將導(dǎo)致接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)增加，直接影響接收系統(tǒng)對微弱信號的接收解析處理，因此應(yīng)當對低噪放端輸入的帶內(nèi)噪聲功率進行嚴格限制。

2 收發(fā)隔離計算案例

通信系統(tǒng)通常采用收發(fā)非同頻方式來降低收發(fā)設(shè)備間干擾，為保證全雙工相控陣天線系統(tǒng)正常工作，根據(jù)上述工作原理分析需從以下兩個條件考慮收發(fā)隔離設(shè)計[6]：

(1)發(fā)射信號耦合進入接收天線，發(fā)射工作頻點信號經(jīng)極化隔離和收阻濾波器抑制后接入低噪放，其信號電平應(yīng)當?shù)陀诘驮敕棚柡洼斎牍β孰娖?，確保低噪放未飽和或燒毀。

(2)發(fā)射信號耦合進入接收天線，發(fā)射信號帶外噪聲落入接收頻帶范圍，導(dǎo)致接收頻帶內(nèi)噪聲增加，其對噪聲惡化程度應(yīng)當不影響信號正常接收解析。

圖2 耦合噪聲功率對噪聲總功率影響

根據(jù)非同源噪聲功率疊加計算結(jié)果如圖2所示，圖中給出了疊加耦合噪聲功率相對原接收通道噪聲功率變化對接收通道噪聲總功率影響。當耦合噪聲功率比接收系統(tǒng)正常工作時自身噪聲功率低10dB時，接收通道噪聲增加0.4dB，導(dǎo)致接收通道信噪比降低0.4dB，此時不會對接收信號正常解析造成嚴重影響。

根據(jù)上述收發(fā)隔離設(shè)計條件，以L頻點收發(fā)全雙工相控陣天線系統(tǒng)單個接收通道為例進行收發(fā)隔離分析。發(fā)射信號中心頻點為1300MHz，工作帶寬±10MHz，接收信號中心頻點為1200MHz，工作帶寬±10MHz，發(fā)射天線為左旋圓極化，接收天線為右旋圓極化。

根據(jù)設(shè)計：(1)發(fā)射工作頻點信號經(jīng)極化隔離和收阻濾波器抑制后電平低于低噪放飽和輸入電平。

P發(fā)射-L發(fā)阻+G發(fā)射單元-L極化隔離+G接收單元-L收阻≤P-1-G低噪放

(5)

式中，P發(fā)射為發(fā)射功放模塊輸出信號電平，作為設(shè)計輸入條件，這里取40dBm；L發(fā)阻為發(fā)阻濾波器對發(fā)射信號抑制衰減量，取0.5dB；G發(fā)射單元為發(fā)射單元天線增益，取5dB；L極化隔離為左/右旋天線極化隔離度，取25dB；G接收單元為接收天線對發(fā)射頻點信號放大增益，取2dB；L收阻為收阻濾波器對帶外發(fā)射信號抑制衰減量，作為設(shè)計結(jié)果；P-1為低噪放1dB壓縮點飽和功率，取0dBm；G低噪放為低噪放增益，取40dB。

對上式進行簡化，可得：

L收阻≥P發(fā)射+21.5dB

(6)

即本案例中要求收阻濾波器對帶外信號抑制達到61.5dB。

(2)發(fā)射信號帶外噪聲落入接收頻帶范圍內(nèi)的噪聲功率比接收通道自身噪聲功率低10dB。

接收通道自身噪聲功率計算如下：

在290K環(huán)境溫度下，噪聲功率譜密度N0可表示為：

N0=kT=-204dBW/Hz

(7)

工作帶寬Bn為20MHz，接收通道帶內(nèi)噪聲功率N為：

N=N0Bn=-131dBW=-101dBm

(8)

根據(jù)上述設(shè)計條件(2)，要求發(fā)射信號帶外噪聲落入接收頻帶范圍內(nèi)的噪聲功率為-111dBm，可通過功放模塊濾波及發(fā)阻濾波器隔離抑制來滿足該條件。

圖3 收發(fā)共陣陣列

上面對單個收發(fā)通道間收發(fā)隔離進行了分析計算，對于多通道相控陣天線系統(tǒng)來說，需要進一步考慮多通道間收發(fā)隔離。以圖3收發(fā)單元天線共陣陣列為例，第一行1-1至1-3、第三行3-1至3-3共計6陣元為發(fā)射通道，第二行2-1至2-3三陣元為接收通道，收發(fā)通道相鄰，存在多通道間干擾影響。以陣列中心2-2接收通道為例分析，該陣元同時受到第一、二行6個發(fā)射通道信號干擾，因此需要對上述單通道收發(fā)隔離計算進行修正。

6個發(fā)射通道耦合進入接收陣元2-2的發(fā)射工作頻點信號功率可表示為：

P發(fā)射×(a11+a12+a13+a31+a32+a33)

(9)

a11至a33為各陣元發(fā)射信號輻射耦合修正因子，該因子主要受收發(fā)陣元相對位置關(guān)系、距離、收發(fā)陣元天線方向圖特性等因素影響，理想情況下該因子隨發(fā)射陣元與被干擾陣元位置分布關(guān)系呈幾何對稱分布，實際過程中受單元天線間方向圖一致性影響而存在一定誤差，需要通過標定測試來獲得。

同樣，6個發(fā)射通道耦合進入接收陣元2-2接收頻帶內(nèi)功率可表示為：

P接收帶內(nèi)噪聲×(b11+b12+b13+b31+b32+b33)

(10)

3 結(jié)束語

本文針對雷達通信一體化應(yīng)用中全雙工工作方式，對相控陣天線系統(tǒng)收發(fā)隔離進行了理論分析與設(shè)計，給出了相控陣天線收發(fā)隔離設(shè)計條件要素，并結(jié)合案例給出了單通道及多通道間收發(fā)隔離設(shè)計詳細過程，可用于指導(dǎo)全雙工相控陣天線系統(tǒng)工程設(shè)計與實現(xiàn)。