双流机场天气雷达接收前端国产化的设计与实现

郭方++王蔚

摘 要：为提高双流机场天气雷达正常运行的保障力度。经过综合考虑和调研，西南空管局气象中心决定对天气雷达射频接收前端系统进行国产数字化改造，包括限幅器-LNA组合前端、下变频器、中频部件等器件。射频接收前端系统改造完成试运行后通过参数测试，在功能上已基本满足使用要求。为雷达产品对比分析和其他器件的国产化改造工作打下了基础，希望能对其他采用进口天气雷达的气象部门有一定的借鉴意义。

关键词：双流机场天气雷达 国产数字化改造 射频接收前端系统 对比分析

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（a）-0089-03

双流机场天气雷达由美国EEC公司生产，于2003年投入使用，所用接收机为模拟接收机。作为接收机重要组成部分的射频接收前端系统是衡量接收機动态性能的关键部件[1]，它主要包括限幅器-LNA组合前端（限幅保护器、低噪声放大器）、下变频器（C波段滤波器、低噪声放大器、混频器和中频滤波器）、中频部件（线性中频放大器、中频滤波器、功分器和对数放大器）等，由于产接收机的范畴，因此该系统也包含了频综这一部分。射频接收前端系统的总体设计如图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.