固态有源相控阵雷达T/R模块接收通道的设计方案

本部分主要讲述T/R模块接收通道的设计。接收通道主要由限幅器和低噪声放大器组成，主要功能是把天线送来的回波信号低噪声放大后通过馈电网络送给接收机。

1接收通道的基本形式

接收通道低噪声放大电路主要有两种形式：

1).单端低噪声放大电路

图1 单端低噪声放大器

2).平衡放大器

图2 平衡放大器

平衡放大器主要由2个3dB正交耦合器和放大器构成。3dB正交耦合器可以采用分支线耦合器、混合环、或者Lange耦合器。

如图2所示，输入信号在端口1进入耦合器，在端口2和端口3输入的信号相位差90°。端口2和端口3的信号分别入射到放大器A和B,放大器A和B将一部分信号反射回端口2和3,由端口1和端口4输出。端口1出现的2个反射信号相位相差180°，相互抵消。端口4出现的2个反射信号相位相同，但由于端口4有匹配负载，将反射信号吸收。相同的效应也出现在平衡放大器的输出端。

单端放大器与平衡放大器比较见表1：

表1：单端、平衡放大器特性对比

 

单端放大器	平衡放大器
1.结构简单，易于级联	1.驻波特性好，具有高度稳定性
2.直流功耗低，体积小，成本低	2.如果有一个管子失效，链路仍可工作，只是增益减小6dB
	3.平衡放大器的带宽更大
	4.消耗较大的直流功率且体积较大

 

实际设计过程，权衡利弊后选用合适的接收链路形式。

2接收通道的主要技术指标

1.噪声系数

噪声系数表征接收通道内部噪声的大小，是雷达接收机的一个非常重要的指标，噪声系数越低，雷达接收机的灵敏度就越高。

2.增益、带内波动

3.1dB压缩输入电平

表征接收通道的动态范围，受限于LNA的P-1。

4.衰减

数字衰减器的主要作用有两个：调整各T/R组件接收增益，调整信号的放大幅度；在天线阵面进行幅度加权，从而降低接收天线的副瓣电平。

5.移相

实现阵面接收和发射的波束赋形与扫描。数控移相器的位数取决于对量化误差的要求。

6.输入、输出电压驻波比

7.幅相一致性        

8.恢复时间

接收机的恢复时间取决于T/R开关时间和限幅器恢复时间。

3元器件选型

1.低噪放选型

对LNA选择遵循噪声系数低，增益要求折中(增益高，工作不稳定，易引起腔体谐振，动态范围低)；增益太低，则T/R组件后面的功率合成网络的插入损耗又会对接收机整机的噪声系数产生不良影响。

2.限幅器选型

限幅器分有源限幅器和无源限幅器，具体区别后续讲座会讲到。这里，我们主要关注限幅器的性能指标及在链路的作用与影响。限幅器应插入损耗低(限幅器置于低噪放前端，用于保护低噪放，但对接收通道噪声系数带来大的影响，因此要求低损耗)；尖峰泄漏及平坦泄漏低于低噪放所能承受的最大功率(一般要求在15dBm以内)；恢复时间短；此外要求能够承受辐射单元开路或者短路全反射的RF信号电平。

3.环形器选型

环形器收发公用，因此有承受大功率要求，反向隔离度(收发隔离)、小信号插损、大信号插损等要求。

4链路关键指标评估

1.增益

链路设计完成后，接收通道增益应考虑留有一定余量，以保证全稳态指标满足任务书要求。如果采用两级放大的话，通常在两级放大器之间接入一个衰减器，起到两级匹配的作用。此外也可以采用均衡器代替衰减器，在匹配的同时，保证内接收通道宽带平坦度的指标。

2.噪声系数

噪声系数计算公式：

式中：NF = 接收机系统的噪声系数；

NFi = 从接收机输入端开始第i级的噪声系数；

Gi= 从接收机输入端开始第i级的有效功率增益。

这里对链路的噪声重新进行建模，简化，以方便各位童鞋对噪声指标进行快速评估：

假设接收通道模型如下：

根据噪声系数计算公式，可以做如下推导：

从化简的噪声系数公式可以看出整个接收通道可以由3部分组成：低噪放模块1、低噪放模块2和衰减模块3组成，这样就大大简化了系统噪声系数的计算过程。上面的公式包含两方面的含义：无源网络的噪声系数和级联网络的噪声系数。从上面公式也可以看出链路噪声系数取决于L1L2NFA1(公式的第一项，即第一级低噪放的噪声系数与低噪放前端环形器与限幅器的插损)。

审核编辑：黄飞