一种S波段测浪雷达的模拟接收机模块的制作方法

本实用新型属于微波多普勒雷达技术领域，涉及一种S波段测浪雷达的模拟接收机模块。

背景技术：

我国海岸线绵长，海洋面积广泛，因此对海浪的观测和研究在科学、国防、经济等方面有着广泛的实际需求。获取海洋动力学参数的传统方法主要是使用浮标、座底式压力传感器、潜标、海流计等工具，在海洋调查船、海上平台等地进行实地流动或者定点测量。这些方法受天气影响大，存在着作业困难、成本高、测量面积小等问题，难以满足实际需要。微波多普勒多普勒雷达是一种基于多普勒原理，通过连续测量各方向水质点的轨道速度和回波强度，利用线性海浪理论获取海浪谱进而推导出海浪参数的新型雷达。该类雷达的测量精度高、天线体积小、测量面积大，可以实现海浪的全天候实时测量。同时，微波多普勒多普勒雷达具有较高的分辨率和采样率，能准确而实时的反映海面细节信息，对海洋环境观测、海洋调查及海洋科学研究有着重要价值，具有广泛的应用前景。微波S波段测浪雷达系统由多个组件组成，在硬件系统当中，接收机是其重要的组成部分。雷达接收机面临着高工作频率、高集成度和低功耗等挑战，而射频模拟前端电路负责接收所有的海面回波信息，直接决定了接收机的灵敏度和动态范围，是接收机中的核心和关键模块。射频模拟接收机的结构一般有超外差结构、直接下变频(零中频)结构、镜像频率抑制结构和低中频结构等。这几种机构均需要对接收的回波信号进行一次或一次以上的变频，将射频信号变为基带信号或频率较低的信号，再通过带通采样，送入DSP进行数字处理。在超外差结构中，为了提高接收机的选择性，一般要使用多个高Q值的带通滤波器，系统的幅相畸变较大，影响后续处理的质量，使用的模拟器件较多，电路结构复杂，不便集成，系统稳定性较差，而且零中频方案虽然结构简单、易于集成、适应性好，但是也存在许多不易解决的问题，如直流偏移、偶次谐波失真、I/Q通道不平衡、闪烁噪声等问题。镜像频率抑制结构和低中频结构也存在滤波器难以实现、抗干扰能力差等缺点。另外由于S波段的频率较高，用来混频的本振信号的功率又较大，很容易干扰其他各个部分电路的工作，甚至与其他频率混频后在输出端产生严重的杂散信号。因此如何抑制射频模拟接收机电路中各个信号的相互串扰也是一个非常重要的问题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种S波段测浪雷达的模拟接收机模块。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案。

一种S波段测浪雷达的模拟前端模块，包括模拟接收机电路、配套的铝合金屏蔽腔体两部分。模拟接收机电路包括射频预选放大模块、第一次下变频及中频放大模块、第二次下变频及中频放大模块、第一本振模块和第二本振模块。其中所述的射频预选放大模块、第一本振模块和第二本振模块受外部控制信号TP的控制。TP为一占空比接近50％的方波。当TP为高电平时，射频预选放大模块、第一本振模块和第二本振模块中的射频开关均导通，模块输出为中频信号；当TP为低电平时，射频预选放大模块、第一本振模块和第二本振模块中的开关均截止，模块输出为白噪声。铝制屏蔽腔体包括内部隔板及底板，侧面SMA连接头安装板，腔体盖，以及SMA连接头。

所述的模拟接收机电路中的射频预选放大模块与第一次下变频混频及中频放大模块相连接；第一次下变频及中频放大模块分别与第一本振模块、第二次下变频及中频放大模块、射频预选放大模块相连接；第二次下变频及中频放大模块分别与第二本振模块、第一次下变频及中频放大模块相连接。上述所有模块四周带有安装孔，通过螺丝与屏蔽腔内螺丝孔紧密固定。

而且，射频预选放大模块包括一个射频限幅放大器、一个射频开关、一个射频预选滤波器和一个射频放大器；射频限幅放大器、射频开关、射频预选滤波器、射频放大器依次连接。

第一次下变频混频及中频放大模块包括一个混频器、两个阻抗匹配的衰减网络、一个放大器和一个宽带带通滤波器；第一阻抗匹配的衰减网络、混频器、带通滤波器、放大器、第一阻抗匹配的衰减网络依次连接。

第二次下变频及中频放大模块包括一个混频器、二个放大器、二个窄带带通滤波器、三个π型阻抗匹配的滤波网络和一个数控衰减器；混频器、第一窄带带通滤波器、第一π型阻抗匹配的滤波网络、第一放大器、第二π型阻抗匹配的滤波网络、数控衰减器、第三π型阻抗匹配的滤波网络、第二放大器、第二窄带带通滤波器依次连接。

第一本振模块包括一个射频开关、一个阻抗匹配的衰减网络、一个放大器和一个带通滤波器；射频开关、阻抗匹配的衰减网络、放大器、带通滤波器依次连接。

第二本振模块包括一个射频开关、一个阻抗匹配的衰减网络、一个放大器和一个带通滤波器；射频开关、阻抗匹配的衰减网络、放大器、带通滤波器依次连接。

所述的铝合金屏蔽腔体主要由五部分构成，分别是U字型的主体结构，两侧的SMA安装板，上盖板以及SMA连接头，五部分之间通过螺丝连接为一个密封的为长方体。屏蔽腔U字型的主体结构内部具有隔断，隔断根据射频模拟接收机电路各个模块的相对位置进行定制，以实现各个电路部分的隔离。腔体的左右两侧根据射频模拟接收机电路的输入输出信号位置开孔，安装射频SMA连接头。

所述的S波段测浪雷达的模拟接收机电路的输入为S波段测浪雷达频率合成器所产生的2个本振信号和1个射频信号。其中第一本振信号LO1为单频正弦波信号，频率为2.17-2.37GHz，功率为+7dBm，输入到第一本振模块；第二本振信号LO2为线性调频连续波信号FMCW，频率为538.6MHz，功率为+7dBm，输入到第二本振模块；射频信号RF为线性调频中断连续波信号FMICW，频率为2.75-2.95GHz，输入到射频预选放大模块。三个输入信号经过本电路，输出为一个频率为41.4MHz的中频信号，供后续数字接收机进行处理。

本实用新型整个PCB的信号走线均采用共面接地波导的形式，并且特性阻抗与各元器件输入输出阻抗相匹配，为50欧姆。并且在两个混频器处对电路板所有层覆铜进行挖除，并且所有信号线与电源线均避开混频器以实现本振与中频信号的高隔离度。

本实用新型在超外差接收机的基础上采用了两次下变频的结构，并配合射频预选滤波器，使得接收机的镜频抑制比可以达到130dBc，有效的避免了空间中其他频率的信号对雷达回波信号的干扰。同时，利用TP脉冲信号同时控制射频预选放大模块、第一本振模块和第二本振模块的通断，实现了收发信号的高度隔离，扩大了模拟前端的动态范围，提高了接收机的灵敏度。并且通过合适的结构设计和器件选型，使得接收机的噪声系数较小，从而最终使得灵敏度达到-130dBm。同时得益于较高的灵敏度，接收机的线性动态范围最终达到了90dB。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

1、本实用新型的3dB带宽为2600MHz到3100MHz，因此适用于2.6GHz到3.1GHz内的射频信号接收，特别适用于S波段多普勒雷达系统。接收机采用5V和12双单电源供电，总增益为30-60dB可数控，接收机抗烧毁最大射频输入功率+30dBm。该机具有集成度高、性能好，成本低等特点。

2、本实用新型在射频预选放大模块、第一混频及中频放大模块采用了宽带滤波器，减小了信号的延迟，射频回波信号的相位失真小。并且通过更换射频预选滤波器即可实现一定范围内的带宽频率的改变，模块通用性好。

3、本实用新型在射频预选放大模块中将限幅抗烧毁和信号预放大结合，使得接收机具有良好的灵敏度的同时具有一定的抗烧毁能力。

4、本实用新型在超外差接收机的基础上采用了两次下变频的结构，并配合射频预选滤波器，使得接收机的镜频抑制比可以达到130dBc，有效的避免了空间中其他频率的信号对雷达回波信号的干扰。

5、本实用新型利用TP脉冲信号同时控制射频预选放大模块、第一本振模块和第二本振模块的通断，实现了收发信号的高度隔离，扩大了模拟前端的动态范围，提高了接收机的灵敏度。并且通过合适的结构设计和器件选型，使得接收机的噪声系数较小，从而最终使得灵敏度达到-130dBm。同时得益于较高的灵敏度，接收机的线性动态范围最终达到了90dB。

6、本实用新型通过铝合金屏蔽腔内合理的隔断将电路的各个部分进行了隔离，避免了高频本振信号通过空间辐射对射频模拟接收机的其他电路模块造成干扰。并且使用π型网络在第二中频的信号通路上进行低通滤波，很好的压制了输出信号中的各个杂散的幅度，使得接收机的信杂比达到70dBc。另一方面，由于屏蔽腔的作用，射频模拟接收机对外部其他系统模块的干扰也被抑制。

7、本实用新型通过阻抗控制、阻抗匹配、覆铜挖空、参考地隔离等技术，对整个模拟接收机模块的电路部分进行了射频方面的设计优化，提高了接收机的各项性能指标。

附图说明

图1为本实用新型实施例的电路框图。

图2为本实用新型实施例中的射频预选放大模块框图。

图3为本实用新型实施例中的第一次下变频及中频放大模块框图。

图4为本实用新型实施例中的第二次下变频及中频放大模块框图。

图5为本实用新型实施例中的第一本振模块框图。

图6为本实用新型实施例中的第二本振模块框图。

图7为本实用新型实施例中的铝合金屏蔽腔的结构示意图。

1—SMA连接头，2—左侧SMA连接头安装板，3—右侧SMA连接头安装板，4—U字型的主体结构，5—上盖板，6—内部隔断。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本实用新型作进一步说明。

如附图1所示，本实用新型中的射频模拟接收机电路包括射频预选放大模块、第一次下变频及中频放大模块、第二次下变频及中频放大模块、第一本振模块和第二本振模块。其中所述的射频预选放大模块、第一本振模块和第二本振模块受发射脉冲TP的控制。

所述的射频预选放大模块与第一混频及中频放大模块相连接；第一混频及中频放大模块分别与第一本振模块、第二混频及中频放大模块、射频预选放大模块相连接；第二混频及中频放大模块分别与第二本振模块、第一混频及中频放大模块相连接。整个PCB的信号走线均采用共面接地波导的形式，并且特性阻抗与各元器件输入输出阻抗相匹配，为50欧姆。

如附图2所示，本实例中射频预选放大模块包括一个限幅放大器、一个射频开关、一个射频放大器和一个宽带带通滤波器。其中限幅放大器器采用WanTcom公司的WHM1045LE，其增益≥26dB，噪声系数≤1.25dB，驻波比≤1.5，最大输入功率30dBm；射频开关采用SKY13286-359LF，其插入损耗≤1.2dB，隔离度≥58dB，通断开关时间小于50ns，控制电平为TTL电平，高电平导通；一个宽带带通滤波器都采用Mini-Circuits公司的BFCN-2850+，通带范围2750-2950MHz，损耗≤4dB，阻带衰减≥20dB；射频放大器采用Mini-Circuits公司的Gali-39+，增益≥17.7dB，噪声系数小于2.4dB，输出三阶交调点≥22.9dBm。

如附图3所示，本实例中第一混频及中频放大模块包括一个混频器、两个个阻抗匹配的衰减网络、一个放大器和一个宽带带通滤波器。其中阻抗匹配的衰减网络用来调节最终的增益范围。混频器采用MCA-35H+，射频端频率范围500-3500MHz，本振端频率范围500-3500MHz，输出端频率范围10-1500MHz，变频损耗≤7dB，隔离度≥20dB；宽带带通滤波器采用BPF-A580+，通带范围520-640MHz，损耗≤2dB，阻带衰减≥30dB；放大器采用GALI-74+，增益≥22dB，噪声系数≤2.7dB，输出三阶交调点≥37dB。调整两个阻抗匹配网络使得输入到后级混频器的信号远远小于本振幅度。在混频器的下方，将电路所有层的覆铜全部挖去，并且使得所有信号线、电源线避开混频器正下方，以减少第一本振以及其与各种信号的混频分量对电路其它部分造成干扰。

如附图4所示，本实例中第二混频及中频放大模块包括一个混频器、二个放大器、二个窄带带通滤波器、三个阻抗匹配的滤波网络和一个数控衰减器。其中混频器采用ADE-4+，射频端和本振端频率范围200-1000MHz，输出端频率范围DC-800MHz，变频损耗≤7dB，隔离度≥30dB；二个放大器都采用GALI-74+，每个放大器的增益≥22dB，噪声系数≤2.7dB，输出3阶截点≥37dB；二个窄带带通滤波器都采用声表面滤波器SF0457，其中心频率41.4MHz，1dB带宽≥1.06MHz，损耗≤4.1dB，通带波动≤0.0dB，带外抑制≥25dB；数控衰减器采用DAT-31R5-PP+，衰减范围31.5dB，最小衰减步进0.5dB，控制方式为6位控制，控制电平为TTL电平。阻抗匹配的滤波网络用来进一步抑制第二中频以外的其他频率分量，以实现高信杂比。同样的，在混频器下方对所有层的覆铜进行挖空处理，信号线、电源线绕开混频器，以避免各种干扰。同时，在两个窄带滤波器的输入输出端配有L型阻抗匹配网络，对滤波器的输入输出端口的阻抗进行匹配，使之接近50欧姆，以减少信号反射带来的损耗。

如附图5所示，本实例中第一本振模块包括一个射频开关、一个阻抗匹配的衰减网络、一个放大器和一个带通滤波器。其中射频开关采用SKY13286-359LF，其插入损耗≤1.2dB，隔离度≥58dB，通断开关时间小于50ns，控制电平为TTL电平，高电平导通；放大器采用GALI-84+，其增益≥18dB，噪声系数≤4.4，输出三阶交调点≥38dB；带通滤波器采用Mini-Circuits公司的BFCN-2275+，通带范围2170-2380MHz，损耗≤2dB，阻带衰减≥30dB；调整衰减网络使得本模块的输出功率为17dBm。

如附图6所示，本实例中第二本振模块包括一个射频开关、一个Π型电阻匹配网络、一个放大器和一个带通滤波器。其中射频开关采用SKY13286-359LF，其插入损耗≤1.2dB，隔离度≥58dB，通断开关时间小于50ns，控制电平为TTL电平，高电平导通；放大器采用GALI-59+，其增益≥20dB，噪声系数≤4.3，输出三阶交调点≥33dB；带通滤波器采用Mini-Circuits公司的SXBP-507+，通带范围460-560MHz，损耗≤2dB，阻带衰减≥20dB；调整衰减网络使得本模块的输出功率为7dBm。

本实例中，在TP脉冲为高电平时，射频预选放大模块、第一本振模块和第二本振模块中的开关均截止，第二混频及中频放大模块输出的41.4MHz中频信号为噪声。在TP脉冲为低电平时，射频预选放大模块、第一本振模块和第二本振模块中的开关均导通。第一本振模块将输入的2.17-2.37GHz单频信号放大到+17dBm，第二本振模块将输入的538.6MHz线性调频FMCW信号放大到+7dBm，输入的2.75-2.95GHz回波信号经过射频预选放大模块放大和滤波，在第一混频及中频放大模块与第一本振信号混频、放大、滤波成为580MHz的线性调频中频信号，之后在第二混频及中频放大模块与第二本振信号混频、放大、滤波成为41.4MHz的中频信号，供后续数字接收机处理。

如附图7所示，本实例中的铝合金屏蔽腔体主要由五部分构成，按照编号分别为1：SMA连接头，2：左侧SMA连接头安装板，3：右侧SMA连接头安装板，4：U字型主体结构，5：腔体盖。五部分之间通过螺丝连接为一个密封的为长方体。屏蔽腔U字型的主体结构内部具有隔断，隔断根据射频模拟接收机电路各个模块的相对位置进行定制，以实现各个电路部分的隔离。腔体的左右两侧根据射频模拟接收机电路的输入输出信号位置开孔，安装射频SMA连接头。屏蔽腔的装备后外观为一正方形，表面开有固定螺丝孔用来将屏蔽腔固定在S波段测浪雷达内部。