CN110518925B - 一种高动态响应信号接收通道 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高动态响应信号接收通道，包括PIN开关、低噪声放大器、预选器、功分器、放大器、衰减器、第一混频器、第二混频器、中频滤波器A、中频滤波器B、第一前置放大器、第二前置放大器；所述PIN开关、低噪声放大器、预选器、功分器依次串联，所述功分器输出端分别连接所述放大器和衰减器；所述放大器、第一混频器、中频滤波器A、第一前置放大器依次串联作为高增益通道；所述衰减器、第二混频器、中频滤波器B、第二前置放大器依次串联作为低增益通道，本方案能够提高系统的动态范围（可达到100dB以上）和灵敏度（达到‑112dBm/0.5MHz带宽）、降低噪声系数（优于3dB（含数字部分）），有效探测到微弱回波以及湍流信息。
Description
技术领域
本发明涉及雷达通信领域，具体涉及一种高动态响应信号接收通道。
背景技术
雷达是通过蝙蝠进而发明的，是英文Radar的音译，源于radio detection andranging的缩写，意思为"无线电探测和测距"，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为"无线电定位"。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。雷达在天气预报服务、防灾减灾等方面发挥了重要作用。但是随着运行年限的增加，雷达故障逐步增多，设备硬件老化、可靠性和性能参数降低，影响了雷达观测数据质量，雷达建设效益没有得到充分发挥。
多普勒天气雷达接收机的动态范围是多普勒天气雷达的重要系统参数之一，这个参数是影响多普勒天气雷达对小信号目标的探测能力以及天气回波测量的准确度的关键因素。由于探测目标（云雨粒子等）的密度、反射率因子、距离等参数变化剧烈，要求新一代天气雷达接收系统可处理的动态范围≥85dB。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高动态响应信号接收通道，能够提高系统的动态范围（可达到100dB以上）和灵敏度（达到-112dBm/0.5MHz带宽）、降低噪声系数（优于3dB（含数字部分）），有效探测到微弱回波以及湍流信息。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种高动态响应信号接收通道，包括PIN开关、低噪声放大器、预选器、功分器、放大器、衰减器、第一混频器、第二混频器、中频滤波器A、中频滤波器B、第一前置放大器、第二前置放大器；
所述PIN开关、低噪声放大器、预选器、功分器依次串联，所述功分器输出端分别连接所述放大器和衰减器；
所述放大器、第一混频器、中频滤波器A、第一前置放大器依次串联作为高增益通道；
所述衰减器、第二混频器、中频滤波器B、第二前置放大器依次串联作为低增益通道。
进一步的，所述PIN开关为二选一开关，其包括主路输入端和辅路输入端，所述主路输入端用于输入回波信号，所述辅路输入端用于输入测试信号。
进一步的，所述第一混频器和第二混频器通过一镜频滤波器输入固定频点的本振信号LO。
进一步的，所述PIN开关的输入频率范围为5300MHz~5700MHz，所述本振信号LO的频率为5270~5670MHz。
进一步的，该信号接收通道封装于100mm×100mm×40mm的封装盒内，所述封装盒侧面分别设置有镜频滤波器、本振滤波器、两个中频输出接口、测试接口、电源控制开关以及回波接口。
进一步的，所述中频输出接口、测试接口、回波接口均采用防潮结构的SMA连接器。
进一步的，所述封装盒的盖板采用内嵌式，SMA连接器使用波珠烧结式连接器。
本发明的有益效果是：
1、提高接收机关键器件性能，接收通道噪声系数（含数字部分）由4dB减小到3dB以内；
2、提高系统的动态范围（达到100dB以上）和灵敏度（达到-112dBm/0.5MHz带宽），增加雷达对弱信号的探测能力。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明信号输入通道电路图；
图3为本发明高增益通道以及低增益通道电路图；
图4为仿真电路图；
图5为本发明的封装结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
气象回波强度变化范围大，接收机要保证对强弱不同的信号正常接收放大，因此，要求接收机有大的动态范围。本方案采用双通道（高灵敏度通道和低灵敏度通道）设计，能够提高系统的动态范围（可达到100dB以上）和灵敏度（达到-112dBm/0.5MHz带宽）、降低噪声系数（优于3dB（含数字部分）），有效探测到微弱回波以及湍流信息。
如图1-3所示，一种高动态响应信号接收通道，包括PIN开关、低噪声放大器、预选器、功分器、放大器、衰减器、第一混频器、第二混频器、中频滤波器A、中频滤波器B、第一前置放大器、第二前置放大器；
所述PIN开关、低噪声放大器、预选器、功分器依次串联，所述功分器输出端分别连接所述放大器和衰减器；
所述放大器、第一混频器、中频滤波器A、第一前置放大器依次串联作为高增益通道；
所述衰减器、第二混频器、中频滤波器B、第二前置放大器依次串联作为低增益通道。
作为一种优选实施例，所述PIN开关为二选一开关，其包括主路输入端和辅路输入端，所述主路输入端用于输入回波信号，所述辅路输入端用于输入测试信号，所述PIN开关的输入频率范围为5300MHz~5700MHz，所述本振信号LO的频率为5270~5670MHz，所述第一混频器和第二混频器通过一镜频滤波器输入固定频点的本振信号LO。
技术指标如下：
输入信号：
1）频率范围：5300MHz~5700MHz，点频工作；
2）本振频率：5270~5670MHz，点频工作；
3）本振功率：15±1dBm；
输入端承受功率（连续波）：主路≥0.5W，辅路≥0.5W。
接收通道指标（高、低增益两路通道，含PIN开关）
1）高增益（dB）：45±0.5
噪声系数（dB）：≤2
通道噪声系数不一致性：≤0.2 dB（每批次全频段）
2）低增益（dB）：16±0.5
噪声系数（dB）：≤6
3）通道增益不一致性：≤0.5 dB（每批次全频段）
相位不一致性：≤±2.5º
4）预选器带宽（BW-3dB）： 18MHz～28MHz
带外抑制：≥40dB（f0±30MHz）
≥65dB（f0±60MHz）
5）中频频率：30MHz
6）中频滤波器带宽（BW-0.2dB）：8±0.7MHz（f0=30MHz）
（BW-3dB）：14.8±0.5MHz
带外抑制：≥40dB（f0±12MHz）
≥75dB（500~6000MHz）
7）镜频抑制度：≥60dBc
8）带内频谱偏移±10MHz处需要抑制65dBc。
9）接收组件输入信号P-1：≥-3dBm
最大输出信号电平：P-1=13±1dBm
10）输入驻波比：≤1.35
11）PIN开关隔离度：主路≥70dB；辅路≥110dB
12）PIN开关主路端反射式；辅路端（测试/KD端）吸收式
13）开关速度（ns）：≤200
14）通道输出一位TTL电平故障指示（检电流），高电平时表示正常，低电平时表 示故障。
指标理论设计
1、增益、噪声系数、P1等指标由链路仿真得可以保证实现。
2、灵敏度：定义为接收机能接收到，并能正常工作的最低信号强度。这个指标主要跟
噪声系数NF、信号带宽、解调信噪比等有关系，其计算公式如下。
灵敏度=-174+NF+10lgB+10lgSNR=-112dBm（带宽取1MHz）
3、动态范围：定义为接收机能够对接收信号进行检测而又使信号不失真的输入信号的大小范围。为了增加接收机的动态范围，并且能使接收机能实时监控接收到的信号大小，采用高、低增益2个通道来实现。
1）高增益通道：是为了保证弱信号下接收机能采样到的最低信号，及接收机
灵敏度=-112dBm。这个通道就是在弱信号下，采用低噪声系数的低噪放，且低噪放前边插损最小，然后通道链路对噪声系数恶化的最小。为了保证这个指标，在低噪放前使用最小插损的PIN开关，且电路使用5880PCB板来制作，接头处采用敖文的SMA射频连接器（D550S15F07+AL-251638），低噪放采用分离元件（FHX13X），最后为了保证通道链路对NF恶化最小，需要保证第一级混频器前增益为40dB即可。低噪放FHX13X工作在6GHz的时候，噪声系数为0.32。在实际设计中FHX13X的噪声系数约为0.5~0.6，这是由于低噪放输入输出驻波不好，需要添加匹配电路，尤其是在输入端，匹配电路通常为LC混合电路，即使我们采用高Q的L、C元件，也会引入一些插损。
市面上有常用的匹配好的低噪放芯片如，HMC-ALH444其性能指标在6GHz左右NF=1.3，HMC-ALH444使用起来非常简单，但是不能把通道性能发挥到极限。所以，高增益通道动态范围为：-112dBm~-33dBm，我们取-108~-43dBm这段。
2）低增益通道：是为了保证大信号下，信号不会因为通道链路饱和失真，及接收机在输入信好P1≥-3dBm时，接收机的低增益通道不会饱和失真。
为了保证这个指标，实际上只需要保证链路中P1最小的器件——混频器不会饱和失真就可以了，所以我们在低增益通道的第一级混频器前加19dB的衰减器即可，保证链路都工作在线性状态。所以，低增益通道动态范围为：-72dBm~0dBm，我们取-70~-3dBm这段。
通道一致性：主要由加工生产一致保证。
预选器带宽：由预选器（腔体滤波器）制造商保证。
中频滤波器：采用星波LC滤波器来实现。
镜频抑制：依靠预选滤波器来实现，系统主要有1次镜频：
1次镜频=LO-30MHz=5240~5640MHz，由窄带预选器滤除，在这个点上抑制超过65dBc就可以了。
带内频谱偏移±10MHz处抑制65dBc：这个指标主要依靠中频滤波器来完成。
接收输入P1≥-3dBm：由仿真图得，当使用低增益通道时，可以满足。
输出P1≥13±1dBm，由仿真图得，可以实现。
PIN开关隔离度，主路70dBc，辅路110dBc。
这个指标只需要在主路使用1个MA4AGSW2+MA4AGSW1就可以满足，辅路上使用2个MA4AGSW2串连就可以解决。
开关速度：≤200ns，此指标由器件指标决定，MA4AGSW2、MA4AGSW1开关速度均优于20ns。
本方案用于完成将接收到的C波段频率（5.3~5.7GHz）下变频到中频30MHz；其动态范围为105dBc，噪声系数NF≤2，为此需要通过功分成2个通道来完成大动态范围的保证。采用一体化的结构设计，主要由2个通道组成，分别是高增益通道和低增益通道；每个通道经过2次变频得到中频30MHz。
由于是宽带系统，且由于相位噪声受限制，所以只能采用逐次下变方案，（为了保证本振频率的相位噪声，尽量使用频率低的本振）；另外为了保证通道有足够的动态范围，采用高、低增益通道来互补动态范围。此方案在高增益通道的混频器前增加一个放大器，在低增益通道上增加一个衰减器。
优点是：1）此方案改进后，由仿真图4得，NF恶化最小=1.66。由于保证了混频器前链路增益足够大（G≥40dB），所以保证了NF恶化最小，双通道又保证了足够的动态范围。
如图5所示，作为一种优选实施例，该信号接收通道封装于100mm×100mm×40mm的封装盒100内，所述封装盒100侧面分别设置有镜频滤波器101、本振滤波器102、两个中频输出接口103、测试接口104、电源控制开关105以及回波接口106，所述中频输出接口103、测试接口104、回波接口106均采用防潮结构的SMA连接器，所述封装盒100的盖板采用内嵌式，SMA连接器使用波珠烧结式连接器。
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。
Claims (7)
1.一种高动态响应信号接收通道，其特征在于，包括PIN开关、低噪声放大器、预选器、功分器、放大器、衰减器、第一混频器、第二混频器、中频滤波器A、中频滤波器B、第一前置放大器、第二前置放大器；
所述PIN开关、低噪声放大器、预选器、功分器依次串联，所述功分器输出端分别连接所述放大器和衰减器；
所述放大器、第一混频器、中频滤波器A、第一前置放大器依次串联作为高增益通道；
所述衰减器、第二混频器、中频滤波器B、第二前置放大器依次串联作为低增益通道；第二混频器为链路中P1最小的器件，衰减器的衰减器的衰减值为19dB；在低噪放前使用最小插损的PIN开关，且电路使用5880PCB板来制作，接头处采用敖文的SMA射频连接器，低噪放采用分离元件，第一级混频器前增益为40dB。
2.根据权利要求1所述的一种高动态响应信号接收通道，其特征在于，所述PIN开关为二选一开关，其包括主路输入端和辅路输入端，所述主路输入端用于输入回波信号，所述辅路输入端用于输入测试信号。
3.根据权利要求2所述的一种高动态响应信号接收通道，其特征在于，所述第一混频器和第二混频器通过一镜频滤波器输入固定频点的本振信号LO。
4.根据权利要求3所述的一种高动态响应信号接收通道，其特征在于，所述PIN开关的输入频率范围为5300MHz～5700MHz，所述本振信号LO的频率为5270～5670MHz。
5.根据权利要求4所述的一种高动态响应信号接收通道，其特征在于，该信号接收通道封装于100mm×100mm×40mm的封装盒(100)内，所述封装盒(100)侧面分别设置有镜频滤波器(101)、本振滤波器(102)、两个中频输出接口(103)、测试接口(104)、电源控制开关(105)以及回波接口(106)。
6.根据权利要求5所述的一种高动态响应信号接收通道，其特征在于，所述中频输出接口(103)、测试接口(104)、回波接口(106)均采用防潮结构的SMA连接器。
7.根据权利要求6所述的一种高动态响应信号接收通道，其特征在于，所述封装盒(100)的盖板采用内嵌式，SMA连接器使用波珠烧结式连接器。
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