CN108254722B - 一种双频相控阵雷达系统及其实现方法 - Google Patents

一种双频相控阵雷达系统及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频相控阵雷达系统，包括可编程门阵列，用于产生和接收两个频率相同且时域分开的数字脉冲信号；DAC转换模块；UDC上变频模块，用于将DAC转换模块转换的模拟信号上变频及信号放大，产生具有驱动能力的射频信号；信号收发单元，一方面用于接收无源功分网络分开的射频信号并发射给各天线阵元，另一方面用于接收各天线阵元的无线信号并发射给无源功合路网络；UDC下变频模块，用于将无源功合路网络叠加后的空间射频信号进行下变频产生两路接收中频信号；第一ADC模块和第二ADC模块。本发明实现了同一套硬件系统支持两个工作频率共同使用和传输，简化系统复杂度，降低系统成本，提高系统可靠性。

Description

一种双频相控阵雷达系统及其实现方法
技术领域
本发明涉及雷达工程技术领域，具体涉及一种双频相控阵雷达系统及其实现方法。
背景技术
随着气象探测对精度要求越来越关心，气象雷达的探测精度要求也越来越高。双频/多频雷达应用也越来越广。与常规雷达相比，双频雷达测量精度高，抗干扰能力强！双频雷达通过目标位置发送两个不同工作频率的脉冲信号序列，通过分别检测两个频率的回波信号，来实现对目标速度和距离的识别。
如图1所示，现有的双频雷达系统方案通常在两个不同波段实现双频，例如现有技术中采用S波段和C波段，通过频分实现双频雷达系统，系统上变频通道需要独立的两个通道同时支持两个工作频率同步工作，这种工作方式，雷达系统需要分别支持两个波段的两套硬件系统才能实现。实现的硬件成本大幅提高，复杂程度大幅增加，尤其是在有源相控阵雷达系统中，需要大量的收发单元实现相控阵，硬件成本非常昂贵，系统体积庞大。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明在提供一种双频相控阵雷达系统的同时，还提供了一种双频相控阵雷达系统的实现方法，实现同一套硬件系统支持两个工作频率共同使用和传输，简化系统复杂度，降低系统成本，提高系统可靠性。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种双频相控阵雷达系统，包括：
可编程门阵列，用于产生和接收两个频率相同且时域分开的数字脉冲信号；
DAC转换模块，用于将可编程门阵列发出的数字信号转换为模拟信号；
UDC上变频模块，用于将DAC转换模块转换的模拟信号上变频及信号放大，产生具有驱动能力的射频信号；
信号收发单元，一方面用于接收无源功分网络分开的射频信号并发射给各天线阵元，另一方面用于接收各天线阵元的无线信号并发射给无源功合路网络；
UDC下变频模块，用于将无源功合路网络叠加后的空间射频信号进行下变频产生两路接收中频信号；
第一ADC模块和第二ADC模块，分别用于接收经过下变频模块后的两路中频信号给可编程门阵列。
进一步的，所述上变频模块包括两个独立的上变频通道，每一个所述UDC上变频通道包括依次连接的第一混频器、第一中级放大器、第一中级滤波器和第二混频器，两个上变频通道中的第一混频器与同一中频双工器连接，中频双工器与DAC转换模块连接，两个上变频通道中的第二混频器分别与第一射频双工器两个输入端连接，第一射频双工器输出端连接有级联放大器，所述级联放大器输出端连接隔离器，所述隔离器第一输出端连接射频滤波器输入端，所述射频滤波器输出端连接无源功分网络。
进一步的，所述UDC下变频模块包括两个独立的下变频通道，每一个所述下变频通道包括依次连接的第三混频器、第二中频滤波器、第二中级放大器、第四混频器、第三中频滤波器和可变增益放大器，两个可变增益放大器的输出端分别连接第一ADC转换器和第二ADC转换器，两个第三混频器的输入端连接第二射频双工器，所述第二射频双工器的输入端连接射频放大器的输出端，所述射频放大器的输入端连接限幅器的输出端，所述限幅器的输入端连接所述隔离器的第二输出端。
一种双频相控阵雷达系统的实现方法，包括信号发射方法和信号接收方法；
所述信号发射方法包括可编程门阵列通过DAC产生时域分开的两个发射中频信号，经过UDC上变频、放大产生驱动能力的射频信号，经过无源功分网络进入收发单元，收发单元将发射信号放大后经过天线单元进行发射；
所述信号接收方法包括天线接收到的空间射频信号经过收发单元放大后，经过无源功合路网络叠加后进入UDC单元，UDC单元将射频信号进行下变频产生两路接收中频信号，经过第一ADC转换模块、第二ADC转换模块进入可编程门阵列进行信号处理。
进一步的，所述发射中频信号经过UDC上变频、放大产生驱动能力的射频信号的方法包括：可编程门阵列通过DAC在发射脉冲时间内顺序产生LFM中频长波信号IF1、LFM中频长波信号IF2、脉冲CW中频短波信号IF1、脉冲CW中频短波信号IF2；中频信号IF1、IF2经过中频双工器，将IF1、IF2在频域分开进入两个独立的上变频通道，分别经过第一混频器、第一中频放大器、第一中频滤波器、第二混频器，上变频为雷达系统工作频率RF1、RF2，RF1、RF2经过第一射频双工器合路后，经级联放大器、环行器、射频滤波器将发射信号放到需要的功率等级，滤波后，通过无源功分路网络将发射信号分配到下一级收发单元。
进一步的，天线接收到的空间射频信号经过收发单元放大后，经过无源功合路网络叠加后进入UDC单元，UDC单元将射频信号进行下变频产生两路接收中频信号的方法包括：下变频通道将无源功合路网络合成的射频接收信号，经过限幅器、射频放大器将射频信号放大后，通过第二射频双工器将RF1、RF2分开进入两个独立的下变频通道，经过第三混频器、第二中频滤波器、第二中频放大器、第四混频器、第三中频滤波器、可变增益放大器，将射频信号下变频至中频信号IF1、IF2，中频信号IF1、IF2分别经过第一ADC转换器、第二ADC转换器，转化成数字信号，进入可编程门阵列进行信号处理。
本发明的有益效果为：在同一个波段，通过时分方式，发射两个不同工作频率的脉冲调制信号，由于两个工作频率处于同一个波段，因此同一套硬件系统可以支持两个工作频率共同使用，在发射脉冲宽度内分时发送两个工作频率的长短波，避免了两个工作频率同时占用射频功放时产生较高的互调，从而降低了对功放功率等级的要求。
附图说明
图1为现有技术中的双频相控阵雷达系统信号收发时序工作图；
图2为本发明具体实施例的结构示意图；
图3为本发明具体实施例的双频相控阵雷达系统信号收发时序工作图；
图4为本发明具体实施例的上变频通道和下变频通道原理框图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
如图2-4所示，一种双频相控阵雷达系统，包括：
可编程门阵列FPGA，用于产生和接收两个频率相同且时域分开的数字脉冲信号；
DAC转换模块，用于将可编程门阵列发出的数字信号转换为模拟信号；
UDC上变频模块1，用于将DAC转换模块转换的模拟信号上变频及信号放大，产生具有驱动能力的射频信号；
信号收发单元，一方面用于接收无源功分网络分开的射频信号并发射给各天线阵元，另一方面用于接收各天线阵元的无线信号并发射给无源功合路网络；
UDC下变频模块2，用于将无源功合路网络叠加后的空间射频信号进行下变频产生两路接收中频信号；
第一ADC模块和第二ADC模块，分别用于接收经过下变频模块后的两路中频信号给可编程门阵列。
所述UDC上变频模块1包括两个独立的上变频通道，每一个所述上变频通道包括依次连接的第一混频器11、第一中级放大器12、第一中级滤波器13和第二混频器14，两个上变频通道中的第一混频器与同一中频双工器15连接，中频双工器15与DAC转换模块连接，两个上变频通道中的第二混频器14分别与第一射频双工器16两个输入端连接，第一射频双工器16输出端连接有级联放大器17，所述级联放大器17输出端连接隔离器18，所述隔离器18第一输出端连接射频滤波器19输入端，所述射频滤波器19输出端连接无源功分网络9。
所述UDC下变频模块2包括两个独立的下变频通道，每一个所述下变频通道包括依次连接的第三混频器21、第二中频滤波器22、第二中级放大器23、第四混频器24、第三中频滤波器25和可变增益放大器26，两个可变增益放大器的输出端分别连接第一ADC转换器和第二ADC转换器，两个第三混频器21的输入端连接第二射频双工器27，所述第二射频双工器27的输入端连接射频放大器28的输出端，所述射频放大器28的输入端连接限幅器29的输出端，所述限幅器29的输入端连接所述隔离器的第二输出端。
其中第一混频器11和第四混频器24中的部分频率由低本振3分别经第一功分器4和第三功分器5产生，第二混频器14和第三混频器21中的部分频率由高本振6经第二功分器7和第四功分器8产生。
一种双频相控阵雷达系统的实现方法，包括信号发射方法和信号接收方法；
所述信号发射方法包括可编程门阵列通过DAC产生时域分开的两个发射中频信号，经过UDC上变频、放大产生驱动能力的射频信号，经过无源功分网络进入收发单元，收发单元将发射信号放大后经过天线单元进行发射；
所述信号接收方法包括天线接收到的空间射频信号经过收发单元放大后，经过无源功合路网络叠加后进入UDC单元，UDC单元将射频信号进行下变频产生两路接收中频信号，经过第一ADC转换模块、第二ADC转换模块进入可编程门阵列FPGA进行信号处理。
所述发射中频信号经过UDC上变频、放大产生驱动能力的射频信号的方法包括：可编程门阵列通过DAC在发射脉冲时间内顺序产生LFM中频长波信号IF1、LFM中频长波信号IF2、脉冲CW中频短波信号IF1、脉冲CW中频短波信号IF2；中频信号IF1、IF2经过中频双工器，将IF1、IF2在频域分开进入两个独立的上变频通道，分别经过第一混频器、第一中频放大器、第一中频滤波器、第二混频器，上变频为雷达系统工作频率RF1、RF2，RF1、RF2经过第一射频双工器合路后，经级联放大器、环行器、射频滤波器将发射信号放到需要的功率等级，滤波后，通过无源功分路网络将发射信号分配到下一级收发单元。
天线接收到的空间射频信号经过收发单元放大后，经过无源功合路网络叠加后进入UDC单元，UDC单元将射频信号进行下变频产生两路接收中频信号的方法包括：下变频通道将无源功合路网络合成的射频接收信号，经过限幅器、射频放大器将射频信号放大后，通过第二射频双工器将RF1、RF2分开进入两个独立的下变频通道，经过第三混频器、第二中频滤波器、第二中频放大器、第四混频器、第三中频滤波器、可变增益放大器，将射频信号下变频至中频信号IF1、IF2，中频信号IF1、IF2分别经过第一ADC转换器、第二ADC转换器，转化成数字信号，进入可编程门阵列FPGA进行信号处理。
与其它双频雷达实现相比，本方案的时分双频实现方案，降低了射频功率放大器的互调压力，最大限度降低硬件实现成本，降低系统复杂程度、提高可靠性。
上变频过程，中频IF1、IF2独立使用上变频，然后共用射频级联放大器的实现方案，在减小混频寄生信号的同时，充分利用了射频功率放大器，最大限度节约了成本，因为在大功率输出的情况下，大功率射频功率放大器往往占据了较大的成本。
需要说明的是，以上所述只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种双频相控阵雷达系统，包括：
可编程门阵列，用于产生和接收两个频率相同且时域分开的数字脉冲信号；
DAC转换模块，用于将可编程门阵列发出的数字信号转换为模拟信号；
UDC上变频模块，用于将DAC转换模块转换的模拟信号上变频及信号放大，产生具有驱动能力的射频信号；
信号收发单元，一方面用于接收无源功分网络分开的射频信号并发射给各天线阵元，另一方面用于接收各天线阵元的无线信号并发射给无源功合路网络；
UDC下变频模块，用于将无源功合路网络叠加后的空间射频信号进行下变频产生两路接收中频信号；
第一ADC模块和第二ADC模块，分别用于接收经过下变频模块后的两路中频信号给可编程门阵列；
所述UDC上变频模块包括两个独立的上变频通道，每一个所述上变频通道包括依次连接的第一混频器、第一中级放大器、第一中级滤波器和第二混频器，两个上变频通道中的第一混频器与同一中频双工器连接，中频双工器与DAC转换模块连接，两个上变频通道中的第二混频器分别与第一射频双工器两个输入端连接，第一射频双工器输出端连接有级联放大器，所述级联放大器的输出端连接隔离器，所述隔离器的第一输出端连接射频滤波器输入端，所述射频滤波器的输出端连接无源功分网络。
2.如权利要求1所述的双频相控阵雷达系统，其特征在于：所述UDC下变频模块包括两个独立的下变频通道，每一个所述下变频通道包括依次连接的第三混频器、第二中频滤波器、第二中级放大器、第四混频器、第三中频滤波器和可变增益放大器，两个可变增益放大器的输出端分别连接第一ADC转换器和第二ADC转换器，两个第三混频器的输入端连接第二射频双工器，所述第二射频双工器的输入端连接射频放大器的输出端，所述射频放大器的输入端连接限幅器的输出端，所述限幅器的输入端连接所述隔离器的第二输出端。
3.一种双频相控阵雷达系统的实现方法，包括信号发射方法和信号接收方法；
所述信号发射方法包括FPGA通过DAC产生时域分开的两个发射中频信号，经过UDC上变频、放大产生驱动能力的射频信号，经过无源功分网络进入收发单元，收发单元将发射信号放大后经过天线单元进行发射；
所述信号接收方法包括天线接收到的空间射频信号经过收发单元放大后，经过无源功合路网络叠加后进入UDC单元，UDC单元将射频信号进行下变频产生两路接收中频信号，经过第一ADC转换模块、第二ADC转换模块进入FPGA进行信号处理；
所述发射中频信号经过UDC上变频、放大产生驱动能力的射频信号的方法包括：中频信号IF1、IF2经过中频双工器，将IF1、IF2在频域分开进入两个独立的上变频通道，分别经过第一混频器、第一中频放大器、第一中频滤波器、第二混频器，上变频为雷达系统工作频率RF1、RF2，RF1、RF2经过第一射频双工器合路后，经级联放大器、环行器、射频滤波器将发射信号放到需要的功率等级，滤波后，通过无源功分路网络将发射信号分配到下一级收发单元。
4.如权利要求3所述的双频相控阵雷达系统的实现方法，其特征在于天线接收到的空间射频信号经过收发单元放大后，经过无源功合路网络叠加后进入UDC单元，UDC单元将射频信号进行下变频产生两路接收中频信号的方法包括：下变频通道将无源功合路网络合成的射频接收信号，经过限幅器、射频放大器将射频信号放大后，通过第二射频双工器将RF1、RF2分开进入两个独立的下变频通道，经过第三混频器、第二中频滤波器、第二中频放大器、第四混频器、第三中频滤波器、可变增益放大器，将射频信号下变频至中频信号IF1、IF2，中频信号IF1、IF2分别经过第一ADC转换器、第二ADC转换器，转化成数字信号，进入可编程门阵列进行信号处理。
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