寬帶高功率諧波雷達發射機的設計與實現

李彥旭，王 衍

（江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 212013）

0 引言

諧波雷達通過發射基波信號，接收來自非線性目標的二次或者三次諧波信號來識別和搜索目標，可用于遠程溫度感應，追蹤昆蟲和小型兩棲動物，用作檢測或者監視設備以及人體生命體征的監測，非線性雷達因其非接觸、應用范圍廣、便于檢測而具有廣泛的應用場景[1-2]。

非線性雷達的設計和實現最早可追溯到上世紀80年代，但是早期的微波器件體積較大，成本價格昂貴，難以推廣到更多的應用領域。近年來隨著醫學、電子、芯片集成技術的發展，許多研究組織也越來越關注雷達生命探測技術[3]的發展。傳統的諧波雷達多采用單頻連續波信號或者輸出功率較低，帶寬較窄的調頻連續波。本文將介紹一種用于探測生命體信息的寬帶高功率諧波雷達發射機前端，具有輸出功率高、發射帶寬大、可靠性高、編程可控制頻率等優點[4]。

1 指標分析

考慮到諧波雷達發射機的便攜性，所以對發射機體積、成本和能耗提出了要求，為了提升整個系統對生命體征的探測距離分辨率和抗電磁干擾能力，采用一個可變頻發射諧波雷達的探測系統，所以要求發射機具有高輸出功率和200 MHz 的帶寬內可變頻發射。對發射機提出的具體指標如下：中心頻率為2.8 GHz，帶寬為200 MHz 的調頻連續波，發射輸出峰值功率為10 W，相位噪聲優于100 dBm/Hz@10 kHz。本文針對以上指標，提出了一種S 波段寬帶高功率的諧波雷達發射機的設計方案，并對功放、天線關鍵器件進行了仿真與測試，驗證了方案的可行性。

2 系統設計

發射機鏈路框圖如圖1 所示，諧波雷達發射機主要由直接數字頻率合成(DDS)[5]模塊、鎖相環(PLL)模塊、混頻器(Mixer)模塊、帶通濾波器(BPF)模塊、驅動放大器(PA1)模塊、末級功率放大器(PA2)模塊、功率分配器及發射天線(Tx)構成。DDS 產生的信號與PLL 產生的本振上混頻后，經過帶通濾波器對信號的選擇作用，濾除諧波及雜散，得到所需信號通過功分器后一路用作接收機的本振，一路通向兩級放大器的放大后到發射天線。

圖1 發射機鏈路框圖

結合指標要求，本文的PLL 和DDS 采用ADI 公司的ADF4350BCPZ 和AD9910BSVZ 芯片，PLL 的射頻帶寬范圍為137.5～4 400 MHz 之間，通過STM32F103RBT6 控制PLL 模塊輸出2 600 MHz 的本振頻率，同時控制DDS產生噪聲抑制優于110 dBm/Hz@10 kHz 的100～300 MHz的調頻連續波信號進行混頻，從而產生中心頻率為2.8 GHz，帶寬為200 MHz 的調頻連續波。

混頻器選擇ADI 公司的ADL5801ACPZ，其本振和射頻端口的頻率范圍為0.01～6 GHz，中頻端口頻率范圍在DC-0.6 GHz，本振端口和射頻端口間隔離度高達46.7 dB。由于混頻器的非線性作用，在混頻時產生的多次諧波分量需要濾除，設計了一款滿足系統指標需求的發卡帶通濾波器。驅動級放大器選擇Qorvo 公司的SBB5089+SZA2044，其射頻帶寬范圍為1～3 GHz，1 dB壓縮點輸出功率為30 dBm,增益為40 dB。

為保證末級功率放大器發射基波信號無其他二三次諧波信號的干擾，同時具有更高的效率和輸出功率，故設計了一種F 類功率放大器作為末級輸出。雷達的發射天線則采用很強的方向性的八木天線，針對傳統八木天線帶寬窄、尺寸大等問題，設計了一種寬帶高增益的微帶八木天線。

2.1 F 類功率放大器的設計

圖2 所示是F 類功率放大器的整體原理圖，工作頻段為2.7～2.9 GHz（取2.8 GHz 為中心頻率），漏極偏置電壓為28 V，柵極偏置電壓為-2.8 V。功率管采用Cree 公司的CGH40010F GaN HEMT，介質基板采用相對介電常數為3.48，厚度為0.508 mm 的羅杰斯4350B。輸入和輸出匹配電路采用傳輸線和開路枝節組成的L 型匹配結構，以實現低插入損耗，串聯R-C 穩定電路防止低頻振蕩。諧波控制網絡中使用長度為λ3/4 開路微帶線TL1 實現B 點從開路轉換到短路，同時使用長度為λ3/4的TL2 實現在晶體管漏極的三次諧波開路。A 和B 之間加入TL3 使得TL2 與TL3 總長度達到λ2/4 能實現二次諧波短路[6-7]，且晶體管的漏極偏置電壓加在A 點上方的λ2/4 微帶線TL4 上，這樣A 點處實現基波和三次諧波開路。偏置線上并聯兩個扇形微帶線Stub2 和Stub3 來代替對地電容，這不僅使得方便設計，結構緊湊而且也起到了短路基波和二次諧波的作用[8-9]。

圖2 F 類功放原理圖

F 類功放在CGH40010F 的輸出端和負載之間加入諧波控制網絡，是為了將基波的偶次諧波調諧到零阻抗狀態，而將奇次諧波調諧到無窮大阻抗狀態，這才能使得漏極端的電流和電壓時域上很接近半正弦波和方波[10]，如圖3 所示，漏極電壓和電流波形之間幾乎沒有重疊，代表晶體管內部直流功耗小，因此大大提升了效率。

圖3 漏極電壓和電流仿真時域波形

2.2 天線設計

本文提出的微帶八木天線正反面CAD 結構如圖4(a)、(b)所示，介質基板采用羅杰斯4350B（介電常數3.48，損耗角正切0.003 7，厚度為0.508 mm），相對于傳統的八木天線而言，更易于同其他電路進行集成。為了增加天線的增益而不影響帶寬，該天線正反面都采用四個微帶線作為引向器，正反面的激勵陣子充當輻射器，而位于介質板底面的地板作為反射器。該天線使用該天線使用一種比較簡單的饋電方式，正面的激勵陣子直接與饋電微電線相連；反面的激勵陣子與充當反射器的地板相連。激勵陣子部分采用了“半領結”型[11-13]漸變的結構，延長了輻射單元的電流路徑，從而達到拓展平面八木天線阻抗帶寬的效果；同時天線激勵陣子附近增加了矩形寄生貼片[14-15]，實際上將RLC 諧振電路改為多諧振點的電路，回波損耗呈現雙諧振特性，進而拓展了天線的阻抗帶寬。

圖4 改進后的八木天線

根據八木天線的設計方法和經驗公式得出初始尺寸，經過電磁仿真軟件Ansoft HFSS 的參數優化后具體尺寸如下：W=60 mm，L=90 mm，L1=32 mm,Lr=18 mm，Lt=15.06 mm，Wt=16 mm，Wr1=14.575 mm，Wr2=18 mm，S1=2 mm，S2=1.13 mm，W1=1.12 mm，d1=5.6 mm，d2=10.6 mm，d3=11.6 mm。

天線的增益是衡量天線性能的一個重要指標，仿真得到的微帶八木天線的三維遠場輻射增益方向圖如圖4(c)所示，在2.8 GHz 處最大輻射方向上增益達到7.4 dBi。

3 測試結果與分析

3.1 天線模塊

從圖5 中可以看出，改進后的八木天線實測結果表明回波損耗在2.8 GHz 時的值為-29.3 dB，阻抗匹配特性良好，S11 在-10 dB 以下的頻段為2.6～2.98 GHz，與HFSS 仿真的結果基本吻合，對應的相對帶寬達到了13.6%，對比改進前增加了6.46%，能夠滿足發射機系統工作頻段的覆蓋要求。

圖5 改進前后回波損耗的變化

3.2 F 類功率放大器模塊

圖6 所示為F 類功放的峰值功率附加效率(Power Added Efficiency，PAE)、輸出功率Pout和增益G隨輸入功率變化的仿真與測試結果?？梢钥吹?在2.8 GHz 工作頻率下，F 類功放的峰值PAE 為69.3%，飽和輸出功率為39.8 dBm，增益為11.8 dB。

圖6 輸入功率，PAE 和增益隨輸入功率的變化

對F 類功率放大器進行測試，得出各頻率點的輸出功率和增益，然后經過計算各頻點的PAE，得出輸入功率，PAE 和增益隨頻率變化的仿真與測試結果如圖7 所示。其中每個頻點的輸入功率恒定為28 dBm，可以看到:F 類功放在2.7 GHz 到2.9 GHz 的帶寬內PAE 保持在55%～69.3%，輸出功率約為38～40 dBm，功放的增益在整個頻帶內介于9.5～12 dB 之間，PAE 的峰值出現在2.8 GHz，說明功放晶體管的匹配電路在中心頻率點處匹配良好，插損小，且諧波控制網絡對二次諧波及三次諧波分量有了較好的抑制，實測輸出功率在39.8 dBm。上述測試基本滿足F 類功率放大器在工作頻段內峰值輸出功率10 W 的要求。

圖7 輸入功率，PAE 和增益隨頻率的變化

3.3 發射機整體模塊

發射機模塊實物圖如圖8 所示.DDS 的掃頻時寬為1.5 ms，步進頻率為10 kHz，產生的寬帶線性調頻信號經過混頻，放大輸出的發射信號連接30 dB 的衰減器后到頻譜儀進行測試。為了測試在該信號源下，產生的中心頻率為2 800 MHz 且帶寬為200 MHz 的調頻連續波信號，輸出頻譜如圖9 所示。從圖中可以看出在要求的頻帶內鏈路的輸出功率接近40 dBm，平坦度在3 dB 以內，符合本文設計的要求。

圖8 發射機模塊

圖9 發射信號測試

4 結論

為了提高探測距離和滿足可變頻發射諧波雷達的探測需求，本文提出了一種寬帶高功率諧波雷達的發射前端方案，對系統的部分指標進行了仿真實測、分析，測試結果表明，本文設計的S 波段寬帶高功率的諧波雷達發射機可產生中心頻率為2.8 GHz、帶寬為200 MHz 的線性調頻信號，其輸出峰值功率可達10 W，均滿足系統設計的要求。