基于非线性调频和高斯包络幅度控制的低相位噪声X波段船用导航固态脉冲压缩雷达发射系统的制作方法

本发明专利涉及x波段船用导航固态脉冲压缩雷达发射机，具体地来说，是一种基于非线性调频和高斯包络幅度控制的低相位噪声x波段船用导航固态脉冲压缩雷达发射系统。

背景技术：

1、目前船用导航领域还是普遍采用脉冲非相参体制雷达，即采用磁控管作为功率放大振荡器件，产生射频脉冲信号，对目标进行探测。非相参脉冲体制导航雷达虽然结构比较简单，但是由于磁控管是高压器件，需要提供8000v的脉冲高压，这降低了磁控管的使用的寿命，也增加了维护人员更换磁控管的风险。此外，由于磁控管采用脉冲调制的方式，为了探测更远的距离，必须发射更长的脉冲时间，这导致发射射频脉冲的有效带宽下降，造成远量程下的目标距离分辨率的恶化。此外，由于脉冲非相参体制雷达通过目标回波的幅度信息进行目标探测，而幅度信息易受到气候及周围环境的影响，这也导致了在复杂天气环境下，脉冲非相参体制雷达探测性能的下降。

2、为了提高导船用航雷达探测性能，提高雷达抗干扰和杂波能力，船用导航雷达相参化的趋势越来越明显，即船用导航雷达采用固态相参体制，通过脉冲压缩技术，解决雷达探测距离和目标距离分辨率之间的矛盾。由于固态相参体制雷达采用固态频率源，可以检测目标回波的相位信息，通过对目标相位信息的数字化，再配合使用复杂的抗杂波和目标提取算法，可以进一步提高雷达在复杂海况下对小目标的发现能力。

3、于此同时，固态器件普遍采用低功率设计，随着氮化镓工艺在功率放大器上的成熟应用，在可靠性方面，固态相参体制雷达比传统磁控管高压脉冲非相参体制雷达具有更大的优势，所以采用固态相参体制的导航雷达是未来导航雷达的发展方向。

4、目前传统的固态脉冲压缩相参体制雷达发射系统使用直接数字频率综合器(dds)产生所需要线性调频信号，线性调频信号经功率放大器放大功率后，再通过雷达天线辐射出去。目标回波信号也通过天线进入雷达接收系统，经过低噪声放大，变频，中频放大、滤波和采样后，转化为数字信号，再通过数字脉冲压缩获得目标的距离信息。

5、为了降低脉冲压缩波形的旁瓣幅度，传统的固态脉冲压缩雷达发射系统采用高性能的dds对发射线性调频信号的脉冲波形进行控制，这极大的增加了雷达发射系统的设计的成本。但是更重要的问题在于，传统的固态压缩雷达发射系统为提高整个功率放大器的效率，功率放大器通常工作在饱和放大区，这就使得被dds包络控制的线性调频脉冲信号经过功率放大器后，其包络波形发生了很大的变化，使得脉冲压缩后的旁瓣抑制效果变差。所以传统的固态压缩雷达接收系统采用加窗函数对接收到的信号处理后再进行脉冲压缩处理。但由于所加的窗函数波形和发射波形之间的不匹配，影响了窗函数对脉冲压缩波形的旁瓣抑制度。

6、如图1为一个带宽为20mhz，扫频时间为20us的线性调频信号的频率随时间变化图。如图2为上述线性调频信号加blackman窗后脉冲压缩后的波形图。由图2可知，脉冲压缩后副瓣的幅度会在脉冲压缩波形两侧抬高，随着副瓣电平的降低，主瓣的宽度也会增加，主瓣负30db处的脉冲宽度约为0.27us。脉冲压缩的主瓣和副瓣的抑制比仅为负55db。由于导航雷达目标回波的动态范围一般都会大于80db，这个旁瓣抑制的程度会影响小目标的发现能力。

7、采用非线性调频波形作为雷达发射波形，虽然会略微增加主瓣宽度，但会极大的降低副瓣电平，提高雷达对小目标的发现能力，确保船只的航行安全，是目前固态脉冲压缩雷达技术领域的一个研究重点。

8、在采用非线性调频波形的同时，如何克服功率放大器工作在饱和区所造成的对非线性调频波形包络幅度控制的影响，有效的对射频非线性脉冲信号的包络进行幅度控制，获得更好的旁瓣抑制效果也是固态脉冲压缩领域要攻克一个技术难题。

9、此外，由于固态脉冲压缩雷达是通过对目标回波的相位进行检测，然后获取目标的各种信息。所以，如何降低固态脉冲压缩雷达系统的相位噪声，从而获得更加稳定的目标相位特征，也是固态脉冲压缩领域探索和追求的目标。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于非线性调频和高斯包络幅度控制的低相位噪声x波段船用导航固态脉冲压缩雷达发射系统，是一种同时采用非线性调频技术和高斯包络波形对射频非线性调频脉冲信号进行幅度控制的低相位噪声固态脉冲压缩雷达发射系统。通过对非线性调频脉冲进行波形设计，对射频非线性调频脉冲波形的幅度进行高斯包络控制，采用基于混频电路和有源滤波环路滤波器的变频锁相设计，极大的抑制了雷达脉冲压缩处理后的旁瓣幅度，提高了雷达发射机的频率稳定度，增强船用导航固态脉冲压缩雷达对小目标的发现能力，更好地保障了船只的航行安全。

2、本技术是通过以下技术方案实现的：

3、基于非线性调频和高斯包络幅度控制的低相位噪声x波段船用导航固态脉冲压缩雷达发射系统，包括非线性调频波形产生、数字控制及电源管理模块、雷达锁相变频及射频脉冲包络幅度控制模块、射频功率驱动放大模块，所述非线性调频波形产生、数字控制及电源管理模块包括非线性调频信号产生电路、滤波放大电路、雷达系统数字控制电路、雷达系统电源产生电路，所述非线性调频波形产生、数字控制及电源管理模块用于产生固态相参雷达发射系统的非线性调频脉冲中频信号，并把产生的信号通过滤波放大电路去除信号中的杂散后，发送给雷达锁相变频及射频脉冲包络幅度控制模块；所述雷达锁相变频及射频脉冲包络幅度控制模块，包括相位检测电路、有源环路滤波电路、射频电压控制振荡电路、混频电路、滤波电路、射频振荡电路、射频脉冲包络幅度控制电路、射频滤波电路，雷达锁相变频及射频脉冲包络幅度控制模块把产生的非线性调频脉冲中频信号上变频到x波段，再通过射频脉冲包络幅度控制电路控制射频非线性调频脉冲信号的包络波形，使其包络波形近似高斯包络波形，然后通过射频滤波电路滤除射频非线性调频脉冲信号中的谐波杂散，然后再把射频非线性调频脉冲信号输送到射频功率驱动放大模块进行功率放大；所述射频功率驱动放大模块包括射频功率放大驱动电路、射频功率放大电路，所述射频功率驱动放大模块把产生的射频非线性调频高斯包络波形进行射频功率放大，从而满足雷达发射功率设计要求。

4、作为优选实施例，非线性调频波形产生、数字控制及电源管理模块产生的非线性调频脉冲中频信号通过sma接头输入到雷达锁相变频及射频脉冲包络幅度控制模块，再经过基于混频电路和有源滤波环路滤波器的变频锁相电路后变频成射频非线性调频脉冲信号，再由雷达锁相变频及射频脉冲包络幅度控制模块进行脉冲包络控制，经过射频滤波器后，通过sma接头输入射频功率驱动放大模块，由射频功率放大驱动电路和射频功率放大电路将输入的射频非线性调频脉冲信号的功率放大到44dbm(25w)，

5、作为优选实施例，雷达锁相变频及射频脉冲包络幅度控制模块和射频功率驱动放大模块需要的控制信号和电源信号，由非线性调频波形产生、数字控制及电源管理模块的控制和电源输出端，通过排线的方式接入到雷达锁相变频及射频脉冲包络幅度控制模块和射频功率驱动放大模块的控制和电源输入端。

6、作为优选实施例，所述雷达系统数字控制电路负责产生固态脉冲压缩雷达发射系统中所需的各种控制信号，与此同时，所述雷达系统电源产生电路用于产生整个雷达发射系统各个模块所需的各种的电压。

7、作为优选实施例，所述雷达系统数字控制电路采用fpga实现，通过fpga产生非线性相位幅度随时间变化函数编码信号，发送给dac，用于产生所需的非线性调频信号，fpga也给雷达锁相变频及射频脉冲包络幅度控制模块和射频功率驱动放大模块提供所需的控制信号和状态配置信号，于此同时，fpga也会实时监控整个固态脉压雷达发射机电源电压，确保各个电源电路工作正常。

8、作为优选实施例，所述射频功率放大驱动电路用于把雷达锁相变频及射频脉冲包络幅度控制模块所产生的射频非线性调频信号的功率放大到37dbm，然后再通过射频功率放大电路，最终把固态脉冲压缩雷达输出功率放大到44dbm。

9、作为优选实施例，功率放大器的输出采用load pull的设计方法，通过不同的输出阻抗点，找到功率放大器的最大的输出功率输出时的负载阻抗，为了提高功率放大器效率，同时会考虑二次，三次谐波处的功率匹配情况，由于两级放大器都采用非匹配功率放大器管进行设计，所以对两级功率放大器的输入级和输出级，都使用了微带线共轭匹配设计。

10、作为优选实施例，为了调节最终的输出功率，在每级功率放大器的输入和输出微带线匹配处还增加了调节微带线，这可以更好的改变各处的阻抗情况，获得最佳的输出功率。

11、作为优选实施例，两级功率放大器均采用脉冲控制方式，即当射频非线性调频信号产生时，功率放大器的栅极被脉冲控制信号控制，使得功率放大器开始工作，当射频非线性调频信号结束发射后，功率放大器的栅极电压为负值，从而关闭功率放大器，从而降低了功率放大器的平均功耗。

12、作为优选实施例，对功率放大器漏极产生的工作电流会进行实时的检测，当工作电流超过额定电流时，非线性调频波形产生、数字控制及电源管理模块中的fpga会切断功率放大器的工作电压，确保功率放大器不被烧毁，为了确保功率放大器正常的工作。

13、有益效果：本发明实现了一个全新的基于非线性调频和高斯包络幅度控制的低相位噪声x波段船用导航固态脉冲压缩雷达发射系统，此系统采用非线性调频信号作为发射波形，可以有效降低脉冲压缩后波形旁瓣幅度。此外，本发明设计实现了一个全新的大动态范围射频脉冲包络幅度控制网络，可以的对产生的射频非线性调频信号的脉冲包络进行有效的幅度控制，从而进一步抑制脉冲压缩后的旁瓣幅度，增强了雷达对小目标的发现能力。于此同时，本发明实现了一个全新的基于混频电路和有源环路滤波的变频锁相电路，极大的降低了整个雷达体统的相位噪声，从而提高雷达系统的相位稳定性。