一种X波段高隔离射频收发系统及其通道一致性校准方法与流程

一种x波段高隔离射频收发系统及其通道一致性校准方法
技术领域
1.本发明涉及雷达领域，尤其涉及一种x波段高隔离度射频收发系统及其通道一致性校准方法。


背景技术：

2.随着武器研究技术的深入和制造业的飞速发展，现代装备信息化程度越来越高，因此世界各国都十分重视相控阵雷达的发展。相控阵雷达中最重要的基本单元模块为t/r组件和基准源模块，该模块具备多通道接收、高隔离度、多种工作模式、跳频带宽大、捷变频、大动态范围以及高杂散抑制能力等；在实现多通道收发功能条件下，保证系统具有高的隔离度，同时具有多工种模式，保证系统工作的灵活性，是需要重点考虑的。因此如何解决通道一致性校准复杂等问题，以快速、无需增加额外接收通道情况下，完成对系统精确校准，是现阶段需要解决的。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种x波段高隔离射频收发系统及其通道一致性校准方法，解决了通道一致性校准复杂等问题。
4.本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种x波段高隔离射频收发系统，它包括频率源模块和高隔离度收发变频模块；所述频率源模块用于将基准信号功分两条支路，第一条支路输出第一频率的相参基准时钟信号，第二条支路再次功分为两路子支路，第一条子支路输出第二频率和第三频率的参考时钟信号，第二条子支路输出跳频本振信号和中频本振信号到所述高隔离度收发变频模块；
5.所述高隔离度收发变频模块用于在发射通道模式时通过上变频发射通道完成对发射中频信号放大、滤波，并根据接收的中频本振信号进行第一次混频和根据接收到的跳频本振信号进行第二次混频后通过发射模式将信号发射出去；在接收通道模式时通过下变频接收通道对接收信号依次根据接收的跳频本振信号和中频本振信号完成两次混频得到相应频率的中频信号输出。
6.所述高隔离度收发变频模块包括上变频发射通道、下变频接收通道、开关切换矩阵网络、第一功分器和第二功分器；
7.所述上变频发射通道对发射中频信号进行滤波放大以及温度补偿后与接收的中频本振信号混频至l波段，然后再进行滤波放大后与接收的跳频信号混频至x波段后输入到所述开关切换矩阵网络进行发射；
8.所述开关切换矩阵网络用于通过两级威尔金斯功分器将发射信号分为四路同相位信号输出，然后通过两级开关选择为发射通道模式输出四路发射信号；以及根据两级开关选择为接收通道模式将接收信号输入到所述下变频接收通道；
9.所述下变频接收通道对接收信号进行限幅处理、灵敏度时间控制、低噪声射频放大，通过预选滤波器滤除镜频信号和干扰信号后与跳频本振信号进行第一次混频得到l波
段中频信号，再进行增益控制后与中频本振信号进行第二次混频至相应频率的中频信号输出；
10.所述第一功分器通过第一本振开关将所述中频本振信号输入到所述上变频发射通道中，第二功分器通过第二本振开关将所述跳频本振信号输入到所述上变频发射通道中，所述第一功分器和第二功分器直接与下变频接收通道连接。
11.所述上变频发射通道包括依次连接的发射中频滤波器、第一发射放大器、发射温补衰减器、第一混频器、滤波器、第二发射放大器、第二混频器、宽带滤波器、放大器、发射开关和驱动放大器；所述中频本振信号输入到第一功分器，第一功分器的一路输出端通过第一本振开关将中频本振信号输入到第一混频器进行混频，所述跳频本振信号输入到第二功分器，第二功分器的一路输出端通过第二本振开关将跳频本振信号输入到第二混频器进行混频。
12.所述开关切换矩阵网络包括第一威尔金森功分器、第二威尔金森功分器和第三威尔金森功分器；所述上变频发射通道的输出端与所述第一威尔金森功分器连接，第一威尔金森功分器连接第二威尔金森功分器和第三威尔金森功分器，通过两级威尔金森功分器分成四路同相位发射信号输出；第二威尔金森功分器和第三威尔金森功分器将发射信号分为四条信号通道，每条信号通道通过两级开关选择收发通道模式为发射通道模式或者接收通道模式。
13.每条信号通道包括第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第三单刀双掷开关和第四单刀双掷开关；所述第一单刀双掷开关的一个输出端依次连接两个放大器和一个单刀单掷开关后与第三单刀双掷开关连接，另一个输出端连接数控衰减器后与第四单刀双掷开关连接；所述第三单刀双掷开关连接收发通道，一个输出端通过低噪放与第二单刀双掷开关连接；所述第四单刀双掷开关连接校准通道，一个输出端通过校准放大器与第二单刀双掷开关连接；所述第二单刀双掷开关通过接收通道与所述下变频接收通道连接；当为发射通道模式时，第一单刀双掷开关接收通过两级威尔金森功分器输出的同相位发射信号并通过第三单刀双掷开关将信号输出；当为接收通道模式时，第三单刀双掷开关接收信号发送到第二单刀双掷开关将接收信号发送到下变频接收通道。
14.所述下变频接收通道包括多路接收链路，每路接收链路包括依次连接的限幅器、stc、低噪放、带通滤波器、第三混频器、mgc、中频混频器、温补衰减器、中频放大器、调相器和中频滤波器；所述第二功分器将跳频本振信号分为多路跳频本振信号，每路跳频本振信号输入到每路接收链路中的第三混频器；所述第一功分器将中频本振信号分为多路中频本振信号，每路中频本振信号输入到每路接收链路的中频混频器。
15.所述第一条支路输出100mhz的相参基准时钟信号；所述第二条支路中第一条子支路输出800mhz和1000mhz的参考时钟信号，第二条子支路输出11ghz～12ghz的跳频本振信号和2120mhz的中频本振信号。
16.一种x波段高隔离射频收发系统的通道一致性校准方法，所述通道一致性校准方法包括：
17.通过软件命令将工作模式由收发通道模式设置为校准模式；
18.校准口输出射频信号通过阵列天线辐射到自由空间，当辐射信号检测到目标后产生回波信号，校准天线对回波信号进行接收；
19.将接收到的回波信号通过收发通道口将回波信号注入开关切换阵列网络中的第一级单刀双掷开关，然后进行低噪声放大，对微弱微波信息进行放大和信噪比改善，输入到第二级单刀双掷开关将信号输入到下变频接收通道；
20.下变频接收通道对信号限幅处理、信号动态调整、杂散信号抑制、全温度范围增益补偿以及相位一致性补偿后输出中频校准信号，完成对通道的校准。
21.所述变频接收通道对信号限幅处理、信号动态调整、杂散信号抑制、混频、全温度范围增益补偿以及相位一致性补偿后输出中频校准信号，完成对通道的校准包括：
22.信号进入下变频接收通道后通过限幅器来对上变频发射通道泄露的大信号进行限幅处理，以保证后级器件不被烧毁和饱和；
23.限幅后通过stc电路对信号动态进行调整，再经过低噪声放大器和带通滤波器对杂散信号进行抑制处理，以保证输入信号的频谱纯度后进入混频器进行混频；
24.混频输出2000mhz中频信号后再依次经过mgc和中频混频器输出120mhz中频信号，并对120mhz中频信号经过温补衰减器对整个链路在全温度范围进行增益补偿；
25.再经过中频放大器对信号进行放大后经过调相器对每个通道信号的相位一致性进行补充，接着输出信号经过中频滤波器后完成对中频杂散和谐波抑制输出一个中频校准信号。
26.本发明具有以下优点：一种x波段高隔离射频收发系统及其通道一致性校准方法，通过现场可编程门阵列(fpga)对该模块的进行控制，模块内部设置多个滤波器对杂散和谐波进行了有效的抑制。模块内部具有恒温晶振，也可外部输入基准时钟产生参考信号，通过直接数字式频率合成器(dds)实现细步进跳频信号输出，跳频时间在1us以内。采用开关组件网络实现高的通道隔离度以及包含收发工作模式、校准模式等在内的多种工作模式切换。同时该设备还具有灵敏度时间控制(stc)以及手动增益控制(mgc)功能，在保证高隔离度和多模式工作条件下，同时也能实现大动态范围回波信号处理与接收。
附图说明
27.图1为本发明频率源模块的结构示意图；
28.图2为本发明高隔离度收发变频模块的结构示意图；
29.图3为本发明开关切换矩阵网络的结构示意图。
具体实施方式
30.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的保护范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
31.本发明用于满足相控阵雷达需求。通过现场可编程门阵列(fpga)对该模块的进行控制，模块内部设置多个滤波器对杂散和谐波进行了有效的抑制。模块内部具有恒温晶振，
也可外部输入基准时钟产生参考信号，通过直接数字式频率合成器(dds)实现细步进跳频信号输出，跳频时间在1us以内。采用开关组件网络实现高的通道隔离度以及包含收发工作模式、校准模式等在内的多种工作模式切换。同时该设备还具有灵敏度时间控制(stc)以及手动增益控制(mgc)功能，在保证高隔离度和多模式工作条件下，同时也能实现大动态范围回波信号处理与接收。
32.具体包括频率源模块、高隔离度收发变频模块以及信号处理模块(fpga控制分布)；频率源模块用于通过功分器将基准信号功分两条支路，第一条支路输出第一频率的相参基准时钟信号，第二条支路再次功分为两路子支路，第一条子支路输出第二频率和第三频率的参考时钟信号，第二条子支路输出跳频本振信号和中频本振信号到所述高隔离度收发变频模块。
33.进一步地，如图1所示，第一条支路依次通过滤波器、放大器、滤波器和功分器后输出100mhz的时钟信号，作为信号处理模块的参考时钟；第二条支路依次通过梳状谱发生器、放大器和功分器，该功分器分为两条子支路；第一条子支路依次通过滤波器、放大器和功分器，该功分器的一端输出800mhz的参考时钟信号，另一端再依次连接分频器、滤波器和放大器输出1000mhz的参考时钟信号；第二条子支路通过一个功分器输出11ghz～12ghz的跳频本振信号和2120mhz的中频本振信号；通过引入梳状谱发生器保证输出信号具有低杂散高相噪性能，梳谱发生器产生的信号通过带通滤波器选出目标信号，对不需要进行有效抑制，作为变频本振信号输出，其频率范围为11～12ghz，步进20mhz。
34.高隔离度收发变频模块用于在发射通道模式时通过上变频发射通道完成对发射中频信号放大、滤波，并根据接收的中频本振信号进行第一次混频和根据接收到的跳频本振信号进行第二次混频后通过发射模式将信号发射出去；在接收通道模式时通过下变频接收通道对接收信号依次根据接收的跳频本振信号和中频本振信号完成两次混频得到相应频率的中频信号输出。
35.如图2所示高隔离度收发变频模块包括上变频发射通道、下变频接收通道、开关切换矩阵网络、第一功分器和第二功分器；
36.所述上变频发射通道对发射中频信号进行滤波放大以及温度补偿后与接收的中频本振信号混频至l波段，然后再进行滤波放大后与接收的跳频信号混频至x波段后输入到所述开关切换矩阵网络进行发射；
37.所述开关切换矩阵网络用于通过两级威尔金斯功分器将发射信号分为四路同相位信号输出，然后通过两级开关选择为发射通道模式输出四路发射信号；以及根据两级开关选择为接收通道模式将接收信号输入到所述下变频接收通道；
38.所述下变频接收通道对接收信号进行限幅处理、灵敏度时间控制、低噪声射频放大，通过预选滤波器滤除镜频信号和干扰信号后与跳频本振信号进行第一次混频得到l波段中频信号，再进行增益控制后与中频本振信号进行第二次混频至相应频率的中频信号输出；
39.所述第一功分器通过第一本振开关将所述中频本振信号输入到所述上变频发射通道中，第二功分器通过第二本振开关将所述跳频本振信号输入到所述上变频发射通道中，所述第一功分器和第二功分器直接与下变频接收通道连接。
40.所述上变频发射通道包括依次连接的发射中频滤波器、第一发射放大器、发射温
补衰减器、第一混频器、滤波器、第二发射放大器、第二混频器、宽带滤波器、放大器、发射开关和驱动放大器；所述中频本振信号输入到第一功分器，第一功分器的一路输出端通过第一本振开关将中频本振信号输入到第一混频器进行混频，所述跳频本振信号输入到第二功分器，第二功分器的一路输出端通过第二本振开关将跳频本振信号输入到第二混频器进行混频。
41.进一步地，上变频发射通道主要功能是完成射频信号的变频、放大、滤波以及工作模式的切换。通过采用多次变频方案，将数字dds产生的中频线性调频(lfm)信号进行滤波、放大后与频率源模块提供的中频本振混频至l波段，再经过二次超外差混频与跳频本振信号混频至x波段输出。其中两次本振加入本振开关，如此来保证高隔离度要求，本发明收发通道隔离度优于105dbc，在接收状态时，本振开关断开，保证本振信号泄露尽量小，在通道中同时加入了温补衰减器，补偿由于温度变化引起的功率起伏。
42.如图3所示，开关切换矩阵网络包括第一威尔金森功分器、第二威尔金森功分器和第三威尔金森功分器；所述上变频发射通道的输出端与所述第一威尔金森功分器连接，第一威尔金森功分器连接第二威尔金森功分器和第三威尔金森功分器，通过两级威尔金森功分器分成四路同相位发射信号输出；第二威尔金森功分器和第三威尔金森功分器将发射信号分为四条信号通道，每条信号通道通过两级开关选择收发通道模式为发射通道模式或者接收通道模式。
43.每条信号通道包括第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第三单刀双掷开关和第四单刀双掷开关；所述第一单刀双掷开关的一个输出端依次连接两个放大器和一个单刀单掷开关后与第三单刀双掷开关连接，另一个输出端连接数控衰减器后与第四单刀双掷开关连接；所述第三单刀双掷开关连接收发通道，一个输出端通过低噪放与第二单刀双掷开关连接；所述第四单刀双掷开关连接校准通道，一个输出端通过校准放大器与第二单刀双掷开关连接；所述第二单刀双掷开关通过接收通道与所述下变频接收通道连接；当为发射通道模式时，第一单刀双掷开关接收通过两级威尔金森功分器输出的同相位发射信号并通过第三单刀双掷开关将信号输出；当为接收通道模式时，第三单刀双掷开关接收信号发送到第二单刀双掷开关将接收信号发送到下变频接收通道。
44.进一步地，第一条信号通道中的第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第三单刀双掷开关和第四单刀双掷开关分别对应图3中的单刀双掷开关1、单刀双掷开关2、单刀双掷开关3和单刀双掷开关4；第二条信号通道中的第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第三单刀双掷开关和第四单刀双掷开关分别对应图3中的单刀双掷开关5、单刀双掷开关6、单刀双掷开关7和单刀双掷开关8；第三条信号通道中的第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第三单刀双掷开关和第四单刀双掷开关分别对应图3中的单刀双掷开关9、单刀双掷开关10、单刀双掷开关11和单刀双掷开关12；第四条信号通道中的第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第三单刀双掷开关和第四单刀双掷开关分别对应图3中的单刀双掷开关13、单刀双掷开关14、单刀双掷开关15和单刀双掷开关16；
45.发射信号通过两级威尔金森功分器分成四路同相位信号输出，然后通过两级开关选择收发通道模式，最后输出四路信号，每一路发射通过采用两级放大器组合一个单刀单掷开关，如此可以保证通道间较高的隔离度要求。四路接收信号通过收发通道进入开关矩阵网络，然后通过两级收发开关切换到收发工作模式下的接收模式，首先信号经过第一级
单刀双掷开关后，进入低噪声放大器，保证系统整体噪声系数不会过高，然后再经过第二级单刀双掷开关，最后从接收通道输出开关矩阵接收前端信号。校准模式下，通过校准口接收和发射信号，当输出发射信号时，通过数控衰减器调整输出功率进行输出，进行信号接收时，通过校准放大器对小信号进行放大，然后输出给单刀双掷开关信号，最后信号通过接收通道口输出。
46.如图2所示，下变频接收通道包括4路接收链路，每路接收链路包括依次连接的限幅器、stc、低噪放、带通滤波器、第三混频器、mgc、中频混频器、温补衰减器、中频放大器、调相器和中频滤波器；所述第二功分器将跳频本振信号分为4路跳频本振信号，每路跳频本振信号输入到每路接收链路中的第三混频器；所述第一功分器将中频本振信号分为4路中频本振信号，每路中频本振信号输入到每路接收链路的中频混频器。
47.下变频接收通道先对接收到的信号进行限幅处理和stc处理，然后再进行低噪声射频放大，射频放大后设置预选滤波器用来滤除镜频信号以及干扰信号等，经过滤波后的信号与对应的跳频本振信号进行一次混频，混频得到l波段中频信号进行滤波后进入幅度放大调整电路mgc。幅度放大调整电路完成对通道动态范围的扩展，保证动态范围优于90dbc。最后将l波段中频信号再次下变频至120mhz中频信号输出，经过滤波和功率调整后的中频信号输出至信号处理模块，然后进行a/d采样处理。其中，接收通道对通道间相位一致性要求苛刻，为了满足此要求，链路专门设计了对应的调相器对每个通道相位进行补偿，区别于数字移相器，其具有调相灵活，电路简单，成本低廉，具有较强的实用性等，使系统相位一致性优于5
°
。另外为了补偿不同工作温度环境下信号波动，链路设计了专门的接收温度补偿器，用于满足设备温度稳定性要求。
48.本发明进行通道一致性校准的工作过程为：进行校准时，将设备工作模式通过软件命令由收发工作模式设置为校准模式。切换到校准模式后，从校准口输出射频信号，然后射频信号通过阵列天线单元辐射到自由空间，当辐射信号检测到目标后，产生回波信号，回波信号通过校准接收天线接收回来，然后通过收发通道口，将回波信号注入收发通道单刀双掷开关，然后信号通过开关矩阵切换到接收链路，信号经过低噪放后，对微弱回波信号进行进一步放大和信噪比改善，然后再通过第二级单刀双掷开关将信号注入接收通道，信号进入接收通道后，分别通过限幅器对来自发射端泄露的大信号进行限幅处理，保证后级器件不烧毁和饱和，接着限幅后信号通过stc电路对信号动态进行调整后，再经过低噪放和带通滤波器，对杂散信号进行抑制处理，保证输入信号的频谱纯度后，信号进入第一混频器，混频输出第一中频信号2000mhz后，信后依次经过mgc、中频混频器输出120mhz中频信号，然后中频信号经过温补衰减器对整个链路在全温范围进行增益补偿，输出信号经过中频放大器对信号进行放大，然后信号经过调相器，对每个通道信号的相位一致性进行补偿，接着输出信号经过中频滤波器后，完成对中频杂散和谐波抑制后，输出一个中频校准信号。如此完成对通道校准。
49.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。