CN113093118A - 一种6-18GHz频段连续波综合射频数字发射接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种6‑18GHz频段连续波综合射频数字发射接收系统，采用工作在6～18GHz频段的超宽带数字发射阵面、超宽带数字接收阵面，通过共享软硬件资源，对通道、时间、频率、带宽、波形等进行调配控制，实现6～18GHz频段内连续波雷达、定向通信、电子战的发射、接收功能，并完成系统资源与工作模式的灵活切换。本发明具备同时多功能、能力可重构的特点；体积小，重量轻、综合集成化程度高，在保证多功能工作能力的条件下，提高了综合射频系统的适装性；能够在连续波体制下利用一套接收系统满足连续波雷达、定向通信、电子战功能的接收处理需求；可应用于6～18GHz频段各种功能连续波体制综合射频系统。

Description

一种6-18GHz频段连续波综合射频数字发射接收系统

技术领域

本发明涉及连续波体制数字相控阵雷达领域，是一种综合射频数字发射\接收系统，主要应用于基于连续波体制的多功能综合射频系统。

背景技术

随着新型电子信息装备的发展，人们对无人艇承担的任务有了新的认识。无人艇需要具备导航避障、情报侦察、目标探测、定向通信等功能，其中，电子载荷系统是无人艇系统研究的核心和关键。针对不同任务需求，艇上经常需要安装雷达、电子战、通信等多种设备。为了解决分立式的射频传感器带来的电磁兼容性差、设备能耗大、隐身性差等问题，需要满足射频电子设备的综合集成，实现雷达、通信、电子战设备射频资源统一管理。

针对无人艇载综合射频系统的任务需求，需要设计一种基于收发分置连续波体制的6～18GHz数字发射\接收系统，采用一套数字发射\接收系统来分别实现雷达、通信、电子战的发射、接收功能，同时满足无人艇导航避障探测需求。

目前，现有的6～18GHz综合射频数字系统主要集中在脉冲体制，尚未有6～18GHz连续波体制综合射频数字发射\接收系统的报道。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种6-18GHz频段连续波综合射频数字发射接收系统。本发明提供一种6～18GHz频段连续波综合射频数字发射\接收系统的实现方法。要解决的技术问题是：利用1套连续波体制数字发射\接收系统实现6～18GHz频段内连续波雷达、定向通信、电子战信号发射、接收功能。

针对上述问题，本发明提供的6～18GHz频段连续波综合射频数字发射\接收系统，采用工作在6～18GHz频段的超宽带数字发射阵面、超宽带数字接收阵面，通过共享软硬件资源，对通道、时间、频率、带宽、波形等进行调配控制，实现6～18GHz频段内连续波雷达、定向通信、电子战的发射、接收功能，并完成系统资源与工作模式的灵活切换。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种6-18GHz频段连续波综合射频数字发射接收系统，包括超宽带数字发射阵面、超宽带数字接收阵面、频率合成源模块、波束控制模块和电源分系统；

超宽带数字发射阵面包括128单元的双极化超宽带发射天线阵列、16个8通道双极化T组件、2个1分8功分器、波控子板和DC-DC电源模块；超宽带发射天线阵列包含8×16个双极化辐射天线振子，满足6～18GHz工作带宽和±45°角度范围内波束扫描；16个8通道双极化T组件组成2个发射子阵，每个发射子阵由8个T组件和1个1分8功分器组成，每个功分器对频率合成源模块输出的宽带射频信号进行1分8的功率分配并输出至T组件；每个T组件完成对输入射频信号的移相和放大，进行1分8功分后输出至8个天线单元，完成信号发射；波控子板接收波束控制模块的相移、衰减码数据，并按照系统工作时序，向每个T组件的发射通道下传相移、衰减码数据；DC-DC电源模块为发射阵面提供所需的低压直流电源。

超宽带数字接收阵面包括256单元的双极化超宽带接收天线阵列、32个8通道双极化R组件、8个8合2功分器(每个含2个1分4功分网络)、2个1分8下变频/本振功分网络、数字控制与采样模块、DC-DC电源模块；超宽带接收天线阵列包含8×32个双极化辐射天线振子，满足6～18GHz工作带宽和±45°角度范围内波束扫描；32个8通道双极化R组件组成16个接收子阵，其中，每个R组件的8个通道分两组(1组：1～4通道；2组：5～8通道)分别进行4合1合成后共输出2路射频信号，2路射频信号分别进入8合2功分器中的2个1分4功分网络，每个接收子阵由4个R组件的一组通道(1～4通道或5～8通道)和1个1分4功分网络组成；R组件对天线单元接收的射频信号进行低噪声放大、移相、衰减后、合成后输出至8合2功分器；每个8合2功分器将输入的8路射频信号合成为2路射频信号，并分别输出至2个下变频/本振功分网络；每个下变频/本振功分网络接收频率合成源模块输出的1路一、二级本振信号，并进行1分8功分，同时，接收8个功分器输出的8路射频信号，并对射频信号进行两级下变频处理形成8路中频信号，对中频信号进行数控衰减和中频滤波后输出至数字控制与采样模块；数字控制与采样模块接收2个下变频/本振功分网络输出的16路中频信号，对中频信号进行同步采样、数字下变频、滤波，并将形成的数字信号通过光纤下传至后端信号处理机完成数字基带信号差频处理，同时根据波束控制模块发送的控制指令完成R组件的状态控制、移相/衰减控制、下变频状态控制；DC-DC电源模块是为接收阵面所有单元提供所需的低压直流电源。

频率合成源模块包括基准信号产生模块、D/A及频控模块、锁相源及变频模块；基准信号产生模块产生80MHz、100MHz、640MHz和2560MHz系统时钟信号和二本振信号，其中，80MHz时钟信号分别送入D/A及频控模块和后端的信号处理机，100MHz时钟信号分别送入锁相源及变频模块和备用时钟输出端口，640MHz时钟信号送入超宽带数字接收阵面，2560MHz时钟信号送入D/A及频控模块；二本振信号输出至锁相源及变频模块和超宽带数字接收阵面；D/A及频控模块接收外部状态控制和波形数据，产生雷达、通信、电子战的400MHz中频波形，同时将控制指令分别发送给锁相源及变频模块；锁相源及变频模块产生一本振信号并输出至超宽带数字接收阵面，同时，锁相源及变频模块接收来自D/A及频控模块输出的中频信号，以及基准信号产生模块输出的二本振信号，并对中频信号进行混频、放大、滤波处理，输出射频激励信号至超宽带数字发射阵面；中频信号采用三角调频连续波信号，带宽分为100MHz、20MHz，其中，100MHz带宽信号用于高精度探测、定向通信、电子战；20MHz信号用于对海空目标远距离探测。

波束控制模块采用DSP+FPGA形式实现，系统工作时，波束控制模块实时接收外部控制设备送来的频率控制信息、波束指向角命令和数据，计算出发射和接收阵面单元的相移数据，并将计算结果发射、接收的相移数据分别通过光纤上传至超宽带数字发射阵面的波控子板和超宽带数字接收阵面的数字控制与采样模块，实现发射、接收天线阵面的波束控制和调度功能。

电源分系统为综合射频系统各模块提供符合要求的各种低压直流电源，保证各级电路能稳定、可靠地工作。

6～18GHz频段连续波综合射频数字发射\接收系统能够根据雷达、通信、电子战的不同任务需要，通过调整控制指令、波形参数，切换不同的任务功能，利用一套发射\接收系统实现多功能综合一体化设计。

本发明的有益效果在于：

(1)基于连续波体制，设计出6～18GHz综合射频数字发射、接收系统，实现连续波雷达、定向通信、电子战的多功能综合一体化，采用2通道数字T组件、16通道数字R组件，使得系统具备同时多功能、能力可重构的特点；

(2)所设计的6～18GHz频段连续波综合射频数字发射\接收系统体积小，重量轻、综合集成化程度高，在保证多功能工作能力的条件下，提高了综合射频系统的适装性；

(3)所设计的连续波数字接收系统对接收射频信号进行下变频转换至中频，并且在数字域对发射基带信号和接收基带信号完成数字差频处理，使得系统能够在连续波体制下利用一套接收系统满足连续波雷达、定向通信、电子战功能的接收处理需求；

(4)本发明可应用于6～18GHz频段各种功能连续波体制综合射频系统。

附图说明

图1是本发明综合射频发射阵面原理框图。

图2是本发明综合射频接收阵面原理框图。

图3是本发明综合射频频率合成源模块原理框图。

图4是本发明发射接收波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1～图4，本发明的连续波综合射频数字发射\接收系统包括：超宽带数字发射阵面、超宽带数字接收阵面、频率合成源模块、波束控制模块和电源分系统。其中：

所述的超宽带数字发射阵面包括发射天线、T组件、功分器、波控子板、DC-DC电源模块。各模块依次串联，其中发射天线、T组件、功分器采用SMP盲插结构实现电气连接，DC-DC电源模块和波控子板采用电缆连接。

发射天线采用超宽带紧耦合双极化阵列天线形式，由匹配层、印制板、天线底座、SSMP接头组成，发射天线共计16列天线单元，每列由8个天线单元组成，单元间距10.2mm，其中，每1×8个天线振子合成一个有源天线单元，连接一个T组件，每个单元包含水平极化和垂直极化两路天线，可通过开关选通一路连接模拟通道；发射阵面分为2个发射子阵，每个发射子阵由8个双极化T组件(每个组件包含8个双极化发射通道，输入1路射频信号)和一个功分器组成，T组件排列间距为10.2mm，组件和天线单元之间采用SSMP-KK盲插连接，组件散热采用均热板贴装和液冷基座相结合的散热方式；T组件采用正反双面布局方案，正面为射频微波电路，该面分布有各种MMIC芯片、微带传输线。反面为电源及控制电路，主要有稳压电路、滤波电路、调制电路等。该布局大大缩小了组件整体尺寸，提高了集成度。同时，射频腔与控制腔的分离，提高了各组成电路之间的隔离，保证了组件整体性能的稳定性；频率合成源模块产生的射频信号通过公共通道上的放大器和2个1分8功分器后进入各个T组件，经过多功能芯片和驱动放大器放大后到末级功放，放大后通过水平和垂直切换开关从模块的天线端口输出；波控子板接收波束控制模块从光纤送来的移相、衰减器控制命令和数据，对数据解包后向各T组件分发组件控制信号，完成对各发射通道的移相角和衰减器控制，波控子板的故障信息通过光纤返回至波束控制模块；DC-DC电源模块是为发射阵面所有单元提供所需的低压直流电源，通过贴装在液冷板上对其散热。

所述的超宽带数字接收阵面包括接收天线、R组件、功分器、下变频/本振功分网络、数字控制与采样模块和DC-DC电源模块。各模块依次串联，其中接收天线、R组件、功分器采用SMP盲插结构实现电气连接，DC-DC电源模块和数字控制与采样模块采用电缆连接。

接收天线采用超宽带紧耦合双极化阵列天线形式，由匹配层、印制板、天线底座、SSMP接头组成，接收天线共计32列天线单元，每列由8个天线单元组成，单元间距10.2mm，其中，每1×8个天线振子合成一个有源天线单元，连接一个T组件，每个单元包含水平极化和垂直极化2路天线，可通过开关选通一路连接模拟通道；接收阵面分为16个接收子阵，每4个双极化R组件(每个组件包含8个双极化接收通道，输出2路射频信号)和一个含两个1分4功分网络的功分器构成2个含4×4模拟通道的接收子阵，R组件排列间距为10.2mm，组件和天线单元之间采用SSMP-KK盲插连接，组件散热采用均热板贴装和液冷基座相结合的散热方式；R组件采用正反双面布局方案，正面为射频微波电路，该面分布有各种MMIC芯片、微带传输线。反面为电源及控制电路，主要有稳压电路、滤波电路、调制电路等。该布局大大缩小了组件整体尺寸，提高了集成度。射频腔与控制腔的分离，提高了各组成电路之间的隔离，保证了组件整体性能的稳定性。天线单元接收的射频信号经过R组件每个接收通道实现低噪声放大、移相衰减、合成为2路进入功分器；接收阵面共计8个功分器，每个功分器含2个1分4功分网络并连接4个R组件，每个功分器对输入的8路射频信号分别进行8合2合成，输出2路射频信号至下变频模块，R组件通过SMP-KK和功分器连接；接收阵面共计2个下变频/本振功分网络，一个下变频/本振功分网络通过8个SMP-KK和4个功分器连接，并通过定位销和螺钉固定在均热板上。8个功分器输出的16路射频信号分别送入2个下变频通道，进行两级混频之后输出16路中频信号，经过数控衰减和中频滤波输出至数字控制与采样模块；数字控制与采样模块以高性能FPGA和ADC构建采样和组件控制硬件平台，对2个下变频模块输出的16路中频信号进行同步采样、数字下变频、数字滤波和数字信号传输，同时，根据波束控制模块发送的控制指令完成R组件、下变频状态控制；DC-DC电源模块是为接收阵面所有单元提供所需的低压直流电源，通过贴装在液冷板上对其散热。

所述的频率合成源模块包括基准信号产生模块、D/A及频控模块、锁相源及变频模块，分别采用直接模拟合成、直接数字合成和锁相源三种混合的方式，产生综合射频系统所需要的频率信号。三个模块均采用6U机箱模块结构尺寸和安装方式，三者之间通过LRM接插件连接，同时，采用自然传导散热技术，通过结构件、组合底板传导方式进行散热。

基准信号产生模块采用直接模拟合成方式产生80MHz、100MHz、640MHz、2560MHz系统时钟信号以及二本振信号，其中1路100MHz信号送入锁相源及变频模块中，1路80MHz信号和1路2560MHz信号送入D/A及频控模块，其余2路100MHz信号送入备用时钟输出端口、2路80MHz信号分别送入后端的信号处理机和备用时钟输出端口；1路640MHz信号输出至超宽带数字接收阵面，同时，基准信号产生模块通过梳谱产生器及滤波器产生4路二本振信号，2路输出至锁相源及变频模块、2路输出至超宽带数字接收阵面；D/A及频控模块中，波形产生子板对插在标准VPX6U的母板卡上，母板上搭载FPGA(型号XC7V690T1927I)、光模块。波形产生子板搭载4片DA芯片AD9164，以及电源芯片、时钟芯片。母板FPGA接收综合射频主控系统的指令，将控制指令发送给锁相源及变频模块，同时接收雷达、通信、电子战基带波形数字信号，通过JESD204B高速接口传输给AD9164，在DA芯片中经16倍插值后与数字振荡器完成混频，输出中频信号至锁相源及变频模块，每片AD9164产生1路中频输出信号，完成雷达、通信、电子战中频发射信号的产生；锁相源及变频模块通过2个锁相源及功分器产生4路一本振信号，其中2路一本振直接输出至超宽带数字接收阵面，另外2路一本振信号与基准信号产生模块输入的2路二本振信号、D/A及频控模块输入的2路中频信号进行混频、放大、滤波后，输出2路6～18GHz射频信号至超宽带数字发射阵面。所设计的三角调频连续波信号带宽分为100MHz、20MHz，其中，100MHz带宽信号用于近距离高精度探测、定向通信、电子战；20MHz信号用于远距离目标探测。

所述的波束控制模块包括一块6U板卡，安装在后端的VPX综合处理信息平台机箱内。波束控制模块采用DSP+FPGA形式实现，由1片XC7V690T和1片国防科大高性能8核DSP信号处理器FT-M6678构建基本处理资源，DSP主要用于移相值的计算、权值和相位调整项计算，FPGA主要用于发送布相数据、接收回波数据、波束形成以及整个系统的逻辑控制。系统工作时，波束控制模块实时接收外部控制设备送来的频率信息、波束指向角命令和数据，计算出发射和接收阵面单元的相移数据，并将计算结果分别通过光纤上传至超宽带数字发射阵面的波控子板和超宽带数字接收阵面的数字控制与采样模块，实现天线阵面的波束控制和调度功能。

所述的电源分系统包括DC-DC模块，将外部输入的24V电源转换为综合射频系统各模块所需的5.5V低压直流电源，保证各级电路能稳定、可靠地工作。

基于上述软硬件配置，通过对系统资源进行调配，能够实现6～18GHz连续波体制综合射频功能。

本发明示例：

·工作频段：6～18GHz

·天线配置：

发射阵列：8(垂直)×16(水平)单元；

接收阵列：8(垂直)×32(水平)单元；

·发射信号波形：三角线性调频连续波；

·波形参数：(a)调频周期：上斜率1ms，下斜率1ms，休止期1ms

(b)调频带宽：100MHz、20MHz

·主要功能：(a)连续波雷达：

带宽20MHz，远距离海空目标探测

带宽100MHz，近距离精细探测、避障

(b)定向通信：带宽100MHz，Frank编码

(c)电子战：

带宽100MHz，电子侦察；

带宽20MHz、100MHz，电子干扰；

以上所述的具体示例，仅仅用作对本发明的技术方案和有益效果进行详细说明，具体参数并不用于限制本发明，凡在本发明的理论和方法之内，所做的任何修改、替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明公布的6～18GHz频段连续波综合射频数字发射\接收系统，采用工作在6～18GHz频段的超宽带数字发射阵面、超宽带数字接收阵面，通过共享软硬件资源，对通道、时间、频率、带宽、波形等进行调配控制，实现6～18GHz频段内连续波雷达、定向通信、电子战的发射、接收功能，并完成系统资源与工作模式的灵活切换。

本发明可应用于6GHz～18GHz频段各种功能的连续波体制综合射频系统。

Claims (4)

1.一种6-18GHz频段连续波综合射频数字发射接收系统，包括超宽带数字发射阵面、超宽带数字接收阵面、频率合成源模块、波束控制模块和电源分系统，其特征在于：

超宽带数字发射阵面包括128单元的双极化超宽带发射天线阵列、16个8通道双极化T组件、2个1分8功分器、波控子板和DC-DC电源模块；超宽带发射天线阵列包含8×16个双极化辐射天线振子，满足6～18GHz工作带宽和±45°角度范围内波束扫描；16个8通道双极化T组件组成2个发射子阵，每个发射子阵由8个T组件和1个1分8功分器组成，每个功分器对频率合成源模块输出的宽带射频信号进行1分8的功率分配并输出至T组件；每个T组件完成对输入射频信号的移相和放大，进行1分8功分后输出至8个天线单元，完成信号发射；波控子板接收波束控制模块的相移、衰减码数据，并按照系统工作时序，向每个T组件的发射通道下传相移、衰减码数据；DC-DC电源模块为发射阵面提供所需的低压直流电源；

超宽带数字接收阵面包括256单元的双极化超宽带接收天线阵列、32个8通道双极化R组件、8个8合2功分器、2个1分8下变频/本振功分网络、数字控制与采样模块、DC-DC电源模块；超宽带接收天线阵列包含8×32个双极化辐射天线振子，满足6～18GHz工作带宽和±45°角度范围内波束扫描；32个8通道双极化R组件组成16个接收子阵，其中，每个R组件的8个通道分两组分别进行4合1合成后共输出2路射频信号，2路射频信号分别进入8合2功分器中的2个1分4功分网络，每个接收子阵由4个R组件的一组通道和1个1分4功分网络组成；R组件对天线单元接收的射频信号进行低噪声放大、移相、衰减、合成后输出至8合2功分器；每个8合2功分器将输入的8路射频信号合成为2路射频信号，并分别输出至2个下变频/本振功分网络；每个下变频/本振功分网络接收频率合成源模块输出的1路一、二级本振信号，并进行1分8功分，同时，接收8个功分器输出的8路射频信号，并对射频信号进行两级下变频处理形成8路中频信号，对中频信号进行数控衰减和中频滤波后输出至数字控制与采样模块；数字控制与采样模块接收2个下变频/本振功分网络输出的16路中频信号，对中频信号进行同步采样、数字下变频、滤波，并将形成的数字信号通过光纤下传至后端信号处理机完成数字基带信号差频处理，同时根据波束控制模块发送的控制指令完成R组件的状态控制、移相/衰减控制、下变频状态控制；DC-DC电源模块是为接收阵面所有单元提供所需的低压直流电源。

2.根据权利要求1所述的一种6-18GHz频段连续波综合射频数字发射接收系统，其特征在于：

频率合成源模块包括基准信号产生模块、D/A及频控模块、锁相源及变频模块；基准信号产生模块产生80MHz、100MHz、640MHz和2560MHz系统时钟信号和二本振信号，其中，80MHz时钟信号分别送入D/A及频控模块和后端的信号处理机，100MHz时钟信号分别送入锁相源及变频模块和备用时钟输出端口，640MHz时钟信号送入超宽带数字接收阵面，2560MHz时钟信号送入D/A及频控模块；二本振信号输出至锁相源及变频模块和超宽带数字接收阵面；D/A及频控模块接收外部状态控制和波形数据，产生雷达、通信、电子战的400MHz中频波形，同时将控制指令分别发送给锁相源及变频模块；锁相源及变频模块产生一本振信号并输出至超宽带数字接收阵面，同时，锁相源及变频模块接收来自D/A及频控模块输出的中频信号，以及基准信号产生模块输出的二本振信号，并对中频信号进行混频、放大、滤波处理，输出射频激励信号至超宽带数字发射阵面；中频信号采用三角调频连续波信号，带宽分为100MHz、20MHz，其中，100MHz带宽信号用于高精度探测、定向通信、电子战；20MHz信号用于对海空目标远距离探测。

3.根据权利要求1所述的一种6-18GHz频段连续波综合射频数字发射接收系统，其特征在于：

波束控制模块采用DSP+FPGA形式实现，系统工作时，波束控制模块实时接收外部控制设备送来的频率控制信息、波束指向角命令和数据，计算出发射和接收阵面单元的相移数据，并将计算结果发射、接收的相移数据分别通过光纤上传至超宽带数字发射阵面的波控子板和超宽带数字接收阵面的数字控制与采样模块，实现发射、接收天线阵面的波束控制和调度功能。

4.根据权利要求1所述的一种6-18GHz频段连续波综合射频数字发射接收系统，其特征在于：

电源分系统为综合射频系统各模块提供符合要求的各种低压直流电源，保证各级电路能稳定、可靠地工作。

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