用敏捷滤波器保护全数字多任务雷达接收机

Peter Matthews, Knowles Precision Devices, Cazenovia, N. Y.

雷达在各种航空航天和国防应用中发挥着至关重要的作用。随着任务类型的发展，能够处理具有不同频率和带宽要求的多功能雷达、电子战和通信功能的全数字相控阵技术正在兴起。全数字相控阵是软件定义的，这意味着每个阵元都可以独立控制和调整，从而可以配置紧凑的多任务雷达系统。但在实施全数字天线设计时，必须克服一些新的复杂问题，特别是与确保在这些日益狭小的空间内进行适当滤波有关的问题。本文将探讨雷达设计人员如何克服使用全数字波束赋形的复杂性，以及如何应对与这种不断发展的雷达技术相关的新的滤波挑战。

雷达发展简述

自20世纪初以来，雷达从一个只能探测短距离物体的相当简单的设备，迅速发展到今天能够隐蔽地为数千英里外的物体提供详细成像和实时数据的复杂系统。因此，雷达系统已从被动探测技术过渡到使用模拟信号处理方法的主动探测技术，再到今天我们所熟悉的主动数字技术。图1显示了雷达系统演变的概况。

图1：雷达演变概况。

雷达系统架构也在不断发展。这些架构为系统设计人员提供了广泛的解决方案，可根据系统要求进行优化。图2a显示的是无源相控阵。图2b为有源相控阵。图2c显示的是子阵列数字相控阵，图2d显示的是阵元级数字相控阵。

图2：(a)有代表性的无源相控阵雷达系统框图。(b)有源相控阵雷达系统框图。(c)具有代表性的子阵列数字相控阵雷达系统框图。(d)具有代表性的阵元级数字相控阵雷达系统框图。

该行业正在经历一场技术变革。它正在从子阵列数字相控阵演变为阵元级数字阵列。在子阵列数字相控阵中，天线被分成较小的子阵列，这些子阵列共享共同的信号处理组件，并在射频或中频（IF）级的子阵列中执行波束赋形。阵元级数字阵列在单个天线阵元执行数字波束赋形。阵元级阵列也称为全数字相控阵，其模数转换器（ADC）直接连接到每个天线阵元。因此，这种技术为雷达系统提供了无与伦比的灵活性、高性能和可扩展性。

全数字相控阵的优势与挑战

在全数字配置中，每根天线的功能都由软件定义。每个阵元都可以独立控制和调整，从而使用户能够实施更复杂的波束赋形算法，在多个方向上分割波束，或同时检测和发射不同频率的波束。此外，由于模数转换器更靠近天线阵元，动态范围得到改善，可以检测到更多信号。有了这么多的功能，一个雷达系统现在可以用于多种任务；这就节省了空间，而这对于船舶等狭小环境来说是至关重要的。

然而，与大多数应用一样，紧凑的尺寸和额外的功能也带来了挑战。将设备安装在更靠近天线阵元的位置，会对每个辐射阵元后面所需的电子元件和无源元件的物理尺寸造成限制。其次，全数字接收器可接收来自各个方向的所有信号，因为天线无法远离特定信号。此外，如果一个发射波束的信号影响到另一个波束的接收，天线也有可能自我干扰。这些挑战加在一起，使得为这些系统提供高性能、紧凑型滤波器变得至关重要。

利用直接采样简化数字接收器设计

滤波器是保护雷达接收器的重要部件。这些小型无源元件的作用很大，它们可以清除雷达外部或雷达本身产生的信号"杂波"。典型的外差接收机需要多个滤波器来清理这些杂波，而直接采样是一种可在数字阵列中实现的技术，可直接将模拟信号转换为数字格式，而无需使用中频转换级。因此，直接采样省去了接收机中的混频器和放大器，以及这些功能所需的滤波器。这就减小了接收机的体积。为了说明这些优点，图3a显示了一个典型的外差接收器框图。图3b显示的是直接采样接收机的方框图，它能以少得多的元件实现相同的系统功能。

图3：(a)典型的外差式接收机框图。(b)典型的直接采样接收器框图。

在直接采样接收机中，一个滤波器选择正确的相关频带。它能消除带外干扰，而另一个滤波器则能清除放大器产生的任何干扰，并选择ADC的外带（alias bands）。值得注意的是，这些滤波器应该很小，在相关频率下应小于半波长。随着雷达系统向更高频率发展，滤波器需要变得更小。此外，多任务接收机通常需要从宽带覆盖切换到窄带覆盖，或使工作频率远离需要避开的频率。要在应用范围内保护接收机，就需要一个小巧、灵活的滤波器组，而且整个滤波器组的物理尺寸必须小于半波长。

滤波器微型化

随着雷达目标工作频率的提高，这些信号的波长也越来越短。如前所述，半波长阵元间距可优化天线性能，因此随着工作频率的提高，阵列也变得越来越密集。表1显示了一些常见频段的高频范围在自由空间中的半波长距离。

随着阵列密度的增加，具备波束转向能力以避免干扰变得更加重要，尤其是在传输信号时。这就提出了一个有趣的问题：与其仅仅依靠减小滤波器的尺寸，如果滤波器能够改变信号在材料中的速度，会怎样呢？这样做可以有效地改变波长。公式1是将信号的频率和波长与自由空间中的光速联系起来的经典等式。

其中：c=自由空间中的光速；ν=频率；λ=波长

公式1显示了如何改变信号在材料中的传播速度。使用不同的材料可以改变信号在材料中的传播速度。改变给定频率下的电磁波速度，就会产生不同的波长。幸运的是，例如在微带上制造分布式阵元滤波器时，这些滤波器只会占用一个波长的一小部分。如果能减少材料中的波长，滤波器的尺寸就会减小。对于微带线，波长可通过公式2确定：

其中：Λ=微带波长；λ=自由空间波长；ε_eff=有效介电常数，取决于基底材料的介电常数和微带线的物理尺寸。

这个公式显示了改变基底和介电常数对微带滤波器内部波长的影响。

缩小开关式滤波器组

虽然开关式滤波器组传统上占地面积较大，但上述概念同样适用于这种技术。Knowles Precision Devices等滤波器制造商正在利用材料科学创新来缩小每个滤波器的尺寸。然后，利用高精度光刻工艺，将这些微带滤波器图案化到定制陶瓷上，从而大大缩小了滤波器的尺寸。图4展示了这一技术的一个实例，以及使用印刷电路板、氧化铝和三种定制介电材料缩小尺寸的效果。除了使滤波器元件小型化以满足新出现的要求外，开关滤波器组的封装也有创新的机会。考虑到输入尺寸和输出所需的窄度，设计人员可以设计更多通道。图5显示了一种四通道滤波器组设计，它采用三维堆叠结构，交替使用直接安装在PCB上的滤波器和内插板。这种封装减少了内部间距，最终缩小了滤波器组的尺寸。

图4：不同介电材料的尺寸和滤波器特性对比。

图5：利用三维叠加结构缩小四通道滤波器的尺寸。

雷达滤波器的重要射频注意事项

除了带宽能力和尺寸之外，在选择雷达系统开关滤波器组中的滤波器时，还必须考虑几个重要因素。下一节将探讨温度稳定性、容差和相位性能如何影响滤波器的性能。

温度稳定性

在选择滤波器类型和材料时，必须考虑工作环境对滤波器性能的影响。对于微带滤波器来说，温度稳定性是滤波器频率稳定性的关键因素。反过来，基底材料的特性也是影响温度稳定性的重要因素。让我们来比较一下使用氧化铝和PG两种常见基材以及三种定制的Knowles Precision Devices陶瓷制造的滤波器的特性，包括温度稳定性。结果如表2所示。

制造公差

在为雷达系统中的开关滤波器组选择滤波器时，分析制造公差也很重要。制造公差是指在制造过程中对指定设计参数的可接受偏差。例如，假设制造商规定滤波器的中心频率为2.4GHz，公差为±100MHz。在这种情况下，实际的中心频率只能在2.3GHz至2.5GHz之间，但仍被认为是可以接受的。制造公差会影响滤波器的性能，尤其是在频率较高的情况下，公差影响会变得非常大。如果雷达系统需要在更高频率下精确可靠地运行，就值得考虑选择公差更小的滤波器。

相位性能

相位特性是评估滤波器性能的一个重要方面，但却经常被忽视。相位性能与滤波器如何影响通过滤波器的信号的相位有关。由于滤波器会给信号带来相位偏移，因此良好的相位性能意味着不会带来太多（如果有的话）额外的相位偏移。这对于保持通过滤波器的信号的完整性至关重要。在指定或描述相位性能时需要考虑的一些因素：

•        相位线性度：这是衡量滤波器在通带内相位响应线性度的指标。相位响应中的任何非线性都会使处理后的信号失真。

•        随温度变化的相位稳定性：将温度范围内的相位变化降到最低，可实现更精确的测量并减少校准要求。

•        相位长度重复性：温度、频率和重复性等变量的一致性有助于提高信号一致性、图像质量和测量精度。

雷达采用全数字相控阵技术

为应对现代信号监测带来的挑战，设计人员需要考虑采用全数字波束赋形技术。使用全数字相控阵时，每个天线阵元都可独立控制，从而实现复杂的波束赋形算法和多任务功能。因此，新兴的和计划中的雷达系统具有前所未有的灵活性和能力。

正如本文所讨论的，向全数字波束赋形的过渡带来了一系列挑战，特别是在为这些紧凑型多任务系统提供所需性能的滤波解决方案时。不过，随着材料科学的最新进展，滤波器元件的尺寸可以小得多，设计人员可以在不牺牲性能的情况下开发出紧凑型开关滤波器组。现在，利用全数字波束赋形技术的敏捷雷达系统具有巨大的潜力，可以满足航空航天、国防和公共安全应用不断发展的需求。

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准

英文原文：https://www.microwavejournal.com/articles/print/42596