HPM短脉冲雷达接收机保护技术基础研究

1、H PM短脉冲雷达接收机保护技术基础研究刘国靖1,2刘国治1潘泉2张洪才2(1.西北核技术研究所西安710024(2.西北工业大学电子信息学院西安710072【摘要】提出了在现代高功率微波技术发展的条件下,军用雷达接收机保护技术发展的新需求,给出了高功率微波(H P M短脉冲雷达接收机保护装置的性能指标和指标体系的确定方法,探讨了影响半导体器件响应速度和恢复时间的因素与改善方法。【关键词】接收机保护,响应速度,隔离度,恢复时间,动态范围B asic R esearch on the T echn iquesof H PM Sho rt Pu lse R adar R eceiver P ro

2、tecti onL IU Guo-j i ng1,2L IU Guo zh i1PAN Quan2ZHANG Hong-ca i2(11N o rthw est In stitu te of N uclear Science and T echno logyX ian710024 (21E lectron ic Info rm ati on Co llege of N o rthw est Po lytechn ical U n iversityX ian710072【Abstract】T he new dem and of m ilitary radar receiver p ro tect

3、i on techn iques under the techn ical conditi on of modern h igh pow er m icrow ave(H P Mis p resen ted in th is paper.T he m ethod of determ inati on of the perfo rm ance specificati on and estab lishm en t the techn ical specificati on system is given clearly.T he facto r w h ich effects the sem i

4、2 conducto r devices respon se speed and recovery ti m e is discu ssed.A nd the m ethods to i m p rove the device character2 istics fo r the receiver p ro tecti on system are analyzed in th is paper.【Key words】receiver p ro tecti on,respon se speed,iso lati on ab ility,recovery ti m e,dynam ic range

5、1引言随着现代电子对抗技术和反辐射导弹技术的迅速发展,雷达技术领域在发射信号的种类和形式方面也发生了重大变革。研究表明:发射重复频率(100 1kH z、纳秒量级(15n s上升时间、百兆瓦以上(100MW10G W峰值功率、有载频短脉冲(脉宽在420n s高功率微波(H igh Pow er M icrow ave-H PM信号的雷达体制在不远的将来可能会发挥重大作用(既可能用于高距离分辨力雷达又可能用于微波定向能武器。而现有接收机保护技术和接收机保护装置的性能指标及技术指标体系不能满足这个新的要求。因此,需要对接收机保护装置的技术指标体系和影响接收机保护装置性能指标的诸因素进一步研究。2H

6、 PM短脉冲雷达接收机保护装置指标确定由于该类雷达的信号特征是高功率和短脉冲,H PM短脉冲雷达的名称也由此得来。其对接收机保护装置的总体要求是:a1在发射机发射高功率短脉冲期间,保护接收机不受损伤或破坏;b1在接收机接收回波信号时,给接收信道带来小的插损。针对H PM短脉冲雷达的信号特征,接收机保护系统应具备高功率容限、高隔离度、大动态、快响应和小插损的特点。2.1收发隔离度指标确定对于收发天线分置雷达来说,一定的接收机保护收发隔离度由收发天线分置空间隔离和接收机前端限幅控制电路隔离实现,包括发射天线端口和接收天线端口间的隔离以及接收天线端口到接收机前端限幅控制电路输出端间的保护隔离两部分。

7、收发隔离度指标在原理上应使发射功率漏入接收机前端的功率小于接收机正常工作所需的最小噪声功率。假定发射机的功率为P P,发射机的静态噪声功率为P S,漏入接收机前端的功率为P in,接收机可能接收到的最小信号功率为P m in,接收机前端限幅控制功2001年8月现代雷达第4期收稿日期:20001023修订日期:20001127本项目获国家高技术863和国防预研经费资助率电平为P L m in,接收机前端的噪声功率为P N,接收机实际工作所需的信噪比为N。当采用超外差式接收机,如果要求接收机信 噪比为15dB,当发射机功率为500MW,接收机可能接收到的最小信号功率为-90dBW(H PM短脉冲雷

8、达发射信号脉宽420n s,接收机带宽100M H z 400M H z,灵敏度降低时,对于收发同步同时工作的中高重频脉冲雷达,收发隔离度D为:DP pP m inN(1此时要求收发隔离度D不小于192dB。由此可以看出,这在工程上是不现实的。对于收发异步分时工作中高重频脉冲雷达,发射机的功率P p可由其静态噪声功率替代,一般小于100mW,此时,收发隔离度D 要求不小于115dB。从这一点考虑,也仅适用于现有常规功率水平的脉冲体制雷达。而对于H PM短脉冲雷达,相当于收发异步分时工作低重复频率脉冲雷达,由于发射机的峰值功率极高,在发射机发射脉冲期间,接收机并不接受回波信号,因此,重点考虑的应

9、是发射机发射脉冲时接收机前端的抗烧毁问题。此时,式(1中的接收机可能接收到的最小信号功率P m in可由接收机前端限幅控制功率电平P L m in替代,一般为-17dBW (20mW,根据式(1,要求收发隔离度不小于119dB(经工程设计与实验分析,空间隔离可实现55dB,接收机保护电路可实现65dB。2.2接收机保护装置响应速度指标确定由于H PM短脉冲雷达采用的信号脉冲宽度在420n s,脉冲前沿在纳秒量级,在理论上,接收机保护装置的响应速度应在0.11n s,才可保证发射脉冲不泄漏到接收机射频电路部分,这可在提高现有装置响应速度的前提下,采用基于STC或基于二次电子倍增效应的综合接收机保

10、护技术以及大功率半导体常断开关技术加以解决。2.3接收机保护装置恢复时间指标确定因为H PM短脉冲雷达根据发射机技术发展的技术基础,主要可用于中远程目标探测与跟踪,对距离小于1km的目标,不必考虑;而且,其重复频率在1kH z以下,不存在距离模糊问题,测速不利用多普勒频移信息,不存在速度模糊问题;而且当前接收机保护技术的发展已实现恢复时间小于1s的水平。然而,对于现有军用雷达在强电磁辐射和高功率微波辐射环境中的安全性和有效性工作问题来说,则要求接收机保护装置的恢复时间指标在数纳秒量级(保护装置中半导体器件处于非饱和状态,否则,在强电磁辐射和高功率微波辐射同步或异步作用下,由于非线性积累效应,将

11、导致目标丢失,使其失去有效工作能力。2.4接收机保护装置的动态范围指标确定H PM短脉冲雷达接收机保护装置的动态范围是指其能够有效发挥作用的信号强弱范围,为从发射峰值功率电平到限幅器有效工作功率电平的差。对于峰值功率120dBm,限幅控制信号电平为13dBm,则接收机保护装置的动态范围应为107dB。2.5接收机保护装置的噪声指标确定接收机保护装置在回波信号通道上引入一定的插损,而且,为改善响应速度还引入了有源器件,这些使接收机的信噪比指标有一定程度的降低,从而使接收机的灵敏度指标受到影响。接收机保护装置的噪声指标主要来源于接收机前端的限幅控制电路。接收机系统的噪声温度T S为:T s=T i

12、n+L T0(F R-1+T p(L-1+L T K(2其中:T in为接收机输入端接收天线的噪声温度,T0为标准温度290K,F R为接收机的噪声系数,T p为限幅控制电路的热噪声温度,T K为有源器件电源耦合到信道中的等效噪声温度,L为限幅控制电路的插损。接收机前端限幅控制电路的噪声温度T W为: T W=T in L+T P(1-1 L+T K(3假定天线的噪声温度T in为100K,常规脉冲雷达接收机前端限幅控制电路为无源T R限幅器,其热噪声温度T p为400K,插损L为0.7dB,接收机的噪声系数F R为4.0,则由式(2可得到接收机系统噪声温度T S1为1192.2K,由式(3得

13、到接收机前端限幅控制电路的噪声温度T W1为144.7K。假定天线的噪声温度T in为100K,H PM短脉冲雷达接收机限幅控制电路的热噪声温度T p为500K,有源器件电源耦合到信道中的等效噪声温度T K为50K,插损L为1.6dB,接收机的噪声系数F R 为4.0,则由式(2得到接收机系统噪声温度T S2为1652.3K;由式(3得到接收机前端限幅控制电路的噪声温度T W2为273.2。接收机灵敏度的损失S N 为:S N=10L g(T S2 T S1(4将T S1、T S2代入式(4得到接收机灵敏度的损失17第4期刘国靖等:H P M短脉冲雷达接收机保护技术基础研究S N为1.42dB

14、,这主要由接收机前端限幅控制电路的插损和接收机噪声系数的高低决定。这在H PM 短脉冲雷达的功能实现上影响不大。对于插损L为2.6dB的限幅控制电路,由式(2得到接收机系统噪声温度T S2为2184.4K;由式(3得到接收机前端限幅控制电路的噪声温度T W2为330.2K。由式(4得到接收机灵敏度的损失S N为2.63dB。综上所述,H PM短脉冲雷达接收机保护装置的各项指标可定为:隔离度120dB,响应速度1n s,恢复时间1s(对于抗辐射雷达,则要求恢复时间在数纳秒量级水平,动态范围110dB,插损小于3dB。3影响半导体器件响应速度和恢复时间的因素与改善方法探讨从现代雷达接收机保护技术研

15、究的现状分析可以得出:半导体器件是其必不可少的保护器件,半导体器件的响应速度和恢复时间指标是决定整个接收机保护装置性能指标的关键性指标,有必要对影响其响应速度和恢复时间的因素进行分析,并对改善方法进行探讨,为H PM短脉冲雷达接收机保护装置设计提供理论依据。基于半导体的限幅器利用了半导体器件PN结载流子的注入和退出特性以及电容电压特性。典型的半导体限幅器为P I N二极管限幅器,是可控阻抗型二极管,其构成为在半导体晶片的重掺杂P型层和重掺杂N型层之间有一高电阻率层,为接近本征型的半导体(一般为准N型称为I层,其厚度通常在10200m之间,电接触均做在两个重掺杂区上1。半导体二极管的响应速度归结

16、为电荷(载流子的存储和恢复。微波信号电场透入半导体内使其内部产生势垒和空间电荷区,其响应速度由电荷的渡越时间(=d v,电路中感应的脉冲比电子起始跨渡的时刻滞后 2和存储时间以及介电驰豫时间( ,为空间电荷层载流子迁移达到平衡状态所需的时间决定,具体表现为空间电荷层的电容和分布电感、电容等参数。为改善P I N限幅器响应速而添加的变容管辅助限幅器,其响应速度由电荷抽出期(当外加信号从正向转到反向时,从耗尽层里流出一个大的反向电流的时间、过渡期(当储存的注入电荷耗尽时,电流突然减小的时间以及耗尽层充电期决定。研究表明:影响半导体二极管响应速度和恢复时间的因素主要归结为p-n结附近的电离杂质分布、

17、半导体材料的基本性质(电子和空穴的迁移率、少数载流子寿命、半导体材料的介电常数等、结的几何形状和结构等9。理想材料应具有如下条件:a1至少有一种载流子有较高的迁移率;b1介电常数小;c1禁带宽度大;d1杂质电离能小;e1热导率大。这些条件分别使半导体材料具有如下性质:a1电阻小;b1电容小;c1饱和电流低,在高温下可以工作; d1散热性好。砷化镓材料在上述各方面几乎都是最优越的材料,只有热导率不如硅,可作为多级半导体限幅器的后级部分。此外,半导体材料少数载流子的寿命决定半导体限幅器的恢复时间,寿命越短,恢复时间越短;对于砷化镓材料,其少数载流子的寿命小于10-9秒,硅材料中少数载流子的寿命一般

18、是10-8 10-6秒。因此,制作用于限幅器的快响应和快恢复半导体二极管时,应考虑载流子渡越耗尽区需要一定时间,以及载流子的注入本身产生的电场对电流有制约作用等因素,使耗尽区较薄、并且使p-n结陡杂质分布(突变结,从而使得电荷注入快速和恢复完全,当然,这将使得击穿电压降低。为减小接触电极引起的杂散电容和电感,采用外延型结构。总之,解决半导体二极管的响应速度和恢复时间问题需解决材料生长、掺杂和接触等技术难题,在设计用于限幅器的P I N半导体二极管时应考虑二极管各层的厚度、面积、电阻率、掺杂浓度以及I层少数载流子的寿命等。为提高半导体限幅器的响应速度,必须把空间电荷层作得很薄,使功率和增益降低,

19、因为P I N 器件的功率与速度乘积(通常用功率与频带乘积和增益与速度乘积(增益与频带乘积在速度提高时都趋于常数。此外,强微波信号对P I N器件的过度激励也是提高响应速度的有效方式。4结束语随着军事科学技术的不断发展和现代战争作战样式的不断演变,现代雷达体系的工作能力与生存能力已收到严峻的挑战,H PM短脉冲雷达概念是80年代中后期、在前苏联脉冲功率技术和核技术迅猛发展的前提下,由前苏联核科学家率先提出的。H PM短脉冲雷达接收机保护装置包括收发天线隔离装置和接收机限幅控制电路两部分。H PM短脉冲雷达接收机保护装置的设计须针对其采用的信号参数,充分考虑指标要求,在实验的基础上完成。H PM

20、短脉冲雷达接收机保护装置的研制工作正在(下转第78页3Peich lM,H Suess and M Suess.M icrow ave i m ag2 ing of the b righ tness temperatu re distribu ti on of ex2 tended areas in the near and far field u sing tw o-di2 m en si onal apertu re syn thesis w ith h igh spatial reso2 lu ti on.R adi o Science,1998,33(3:781-8014T homp

21、son A R J M M o ran and G W Sw en son J r.In terferom etry and syn thesis in radi o astronom y.John W iley&Son s,19865Skou N B L auersen,and S Sob jerg.Po lari m etric R adi om eter Configu rati on s.P roceedings of I2 GA R SS98.Ju ly,Seattle,U SA董晓龙1996年毕业于西安交通大学,获电磁场与微波技术专业博士学位。19961998年为中国科学院

22、空间科学与应用研究中心博士后,现为中国科学院空间科学与应用研究中心研究员。主要研究方向为:微波遥感理论,微波遥感器机理与系统研究,应用电磁学,信号分析与处理等。吴季1993年在丹麦技术大学获电磁与微波技术专业博士学位。1995年回国,现为中国科学院空间科学与应用研究中心副主任,研究员。主要研究方向为:微波遥感机理与系统研究,天线理论与技术等。姜景山中国工程院院士,86322空间科学与应用专家组组长,中国科学院空间科学应用研究中心研究员。主要研究方向为:星载微波遥感器系统研究,小卫星技术,卫星有效载荷技术等。(上接第69页一路接收机,但有的雷达可有多达12路接收机。让每路接收机信号由一个模块完成

23、复接分接,多个模块的信号再由一个高速复分接模块进行处理再传输(因为光纤通信部分的速率可达几Gb s,不存在速度制约。复分接模埠接口的速率、高速复分接模块接口的速率和路数均可在系统编程改变。5结语目前我们已经完成通用雷达数字信号光纤传输系统的电接口部分,通过了时序仿真,并进行了实际电路的验证测试,测试证明本系统达到设计的要求。本系统的研制成功可有效地提高雷达的信号传输质量、可靠性和抗干扰能力。参考文献1殷连生,汪一心.光电技术在雷达中的作用.南京:光电子技术在雷达中的作用文集,1991:842马晓岩,向家彬,朱裕生等.雷达信号数字处理.武汉:空军雷达学院,1996:1821843李侠.现代雷达概论.武汉:空军雷达学院,1992:189 1904L attice Sem iconducto r Co rp.ISP Encyclopedia.1998 5王观凤.在系统可编程技术及其应用.中南民族学院,1998(2:36376刘笃仁,杨万海.在系统可编程技术及其器件原理与应用.西安:西安电子科技大学出版社,1999 7L attice Sem iconducto r Co rp,IspD S_5.1U ser M anual.1997