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[摘 要]无论是在军用还是在民用领域，射频接收技术在无线通信中的作用显得越来越重要。收发开关是雷达系统和射频通信系统的重要组成部分，对系统性能起着关键性的作用。这篇论文以MAX4566 CMOS射频开关芯片为基础，设计了一种T 型结构的数字天线收发开关。经过实验测量表明该开关系统达到了技术指标要求，能满足不同小功率脉冲雷达的要求。更多还原
[关键词]雷达 收发开关 射频开关 隔离度
中图分类号：TD956.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0026-01
1 概述
为了在信号功率电平越来越高时仍能保持好的线性度，大多数天线开关采用越来越复杂的设计拓扑来满足这些更加严格的线性要求。例如，在天线开关模块中经常集成有电荷泵，用于提升电池电压以控制构成开关的场效应晶体管（FET）。这种方案通常是一种合理的折衷，因为它减少了对更大FET的需求，改善了开关插损和隔离性能，增强了开关压缩点的鲁棒性。开关压缩点定义为增益被压缩0.1dB或1dB的输出功率点（P0.1dB或P1dB）。
2 雷达电子开关的设计与实现
2.1 设计思想
雷达开关的原理是通过时序信号TR控制接收机的打开与关闭，接收机打开时接收回波信号，关闭接收机时发射机就会打开并发射信号，发射完毕后关闭发射机，再次打开接收机接收，周而復始。描述电子开关的基本技术指标是隔离度和差损，其说明如下：
（1）隔离度 隔离度是电子开关关断有效性的量度。理想的电子开关在没有触发信号的情况下应具有非常大的电阻，以保证通过电路的电流极小，是关断状态。然而由于电子器件在实际中不可能保证关断时的内部电阻为无穷大，漏电流的存在使电子开关的输出不严格为零。我们将开关接通时在开关输出端测得的功率与开关断开时在开关输出端测得的功率之差定义为开关的隔离度，单位是dB。一般说来，隔离度在-100dB 左右的开关就能够完全满足所需的要求。
（2）差损 雷达接收机接收到的信号大多是淹没在噪声中的回波信号。因此，接收信号的信噪比是否能够达到指标是雷达能否正常工作的关键。电子开关作为电路，本身会有损耗，损耗会降低接收信号的信噪比。因此控制开关输入输出之间的损耗就是差损，是设计电子开关中最重要的一个问题。
脉冲雷达系统中所使用的数字电子开关应具有可控性，即由雷达的工作时序控制开关的打开或关闭，与发射机和接收机的工作状态保持同步。Maxim公司的MAX4566是一块受控CMOS射频开关，IN为控制信号输入端，COM为信号输入端，NO与NC为信号输出端，两组控制信号可控制四组开关。当IN为低电平时，第1和2路开关关闭，3和4路开关打开；当IN为高电平时，第1和2路开关打开，3和4路开关关闭。可根据不同的需要，灵活的选择。
2.2 电路设计与实现
脉冲雷达系统多工作在高频段，频率范围一般从3M～30MHz。MAX4566 的设计指标为，在10MHz以下，隔离度-83dB，差损2.5dB。但在实际测量中我们发现，由于电路设计和系统噪声的影响，隔离度往往达不到设计指标，在10MHz 时，隔离度仅为-70dB，并且频率越高，隔离度越低。为了提高开关的隔离度，满足开关隔离度要求，我们设计3个芯片级联成T 型结构的方式。电路图如图1所示。
图1中，TR为时序控制信号，与控制接收机的时序同步，当TR低电平时开关关闭，当TR为高电平时开关打开。当开关导通时Q1、Q2导通，Q3关闭，信号从RF_IN 到RF_OUT 经过Q1、Q2，因此差损也相应变为5dB；当开关关闭时Q1、Q2 关闭，Q3 导通，信号分流到GND。由于经过子开关Q1、Q2 两级隔离，隔离度有所提高，在信号频率为30MHz时隔离度达到-80dB 以上。
我们设置输入信号的频率为30MHz，相当于雷达系统工作时接收信号的频率，波形为正弦波。TR端输入频率为4kHz TTL电平的方波作为控制信号，用频谱分析仪测量输出信号，与输入信号进行比较得出开关的隔离度与差损值。由测试数据可知，开关的隔离度约为-80dB，差损约为5dB。
3 改进雷达系统开关电路
3.1 设计思想
在雷达的接收系统中，需要对接收信号进行解调、整形和放大。通常的雷达开关在后级的放大器部分都是对接收回波进行单一的放大，其结果是有用信号、噪声以及地波都得到了相同的放大，对提高接收信号的信噪比没有明显的效果。因此考虑设计一种能够自动识别接收回波中的有用信号与噪声，然后分别进行放大和衰减，这样既可以弥补由于前级开关的差损而产生的信号衰减，也可以增强雷达接收信号的信噪比，提高雷达系统的信号处理能力。
3.2 电路设计与实现
AD603的连接示意图如图2所示，TR为时序控制信号，与控制接收机及前级开关的时序同步，TR控制AD603的增益值，INPUT是信号输入端，与前级开关的输出端相连。±VCC=±5V。经过提高了信噪比的回波信号从OUT端输入到下一级。
通过计算，当 AD603 作为衰减器时，采用VG 为-500mV，此时增益为-10dB；当AD603 进行正常放大时，采用VG为-100mV，此时增益为6dB。因此在输出端的输出信号对前级就有了16dB的增益改善。若需要更大的增益改善，只需在额定范围内改变VG的值即可。
4 实验结果与分析
本开关的最终电路图如图3所示，三块MAX4566组成T型开关构成雷达开关的前级，AD603接在前级开关后组成雷达开关的后级。基准电压源电路的输出电压经过分压和选择器后成为AD603 的控制电压VG。INPUT端为雷达接收信号输入端，与雷达天线相连，TR 端为时序控制信号，与整个系统的工作时序同步。回波信号从OUTPUT端进入到下一级。
为了检验开关电路的适用性、稳定性和可靠性，我们把开关安装在自行研制的间隔收发脉冲压缩体制的电离层探测系统中。在探测模式为5M～15MHz 扫频、TR 的频率为8kHz、发射功率为32W的情况下得到频率为7M～9MHz，350km 处F层回波，说明开关能够正常、稳定地工作。在同样的探测条件下，没有经过开关的探测结果是，由于地波过强，造成接收机前端阻塞，因而接收机不能正常的接收回波，导致系统无法正常工作。
通过实验测试，本开关在电离层探测系统上工作稳定、转换速度快，能在TR的控制下很好地与发射机和接收机保持同步工作、开关差损小、隔离度高，接收信号通过开关后信噪比有一定的改善，提高了雷达系统的信号处理能力。本开关最大的优点在于易于控制、通用性很强，能广泛地应用于不同类别的小功率脉冲雷达，只需提供控制雷达工作的时序信号便可使开关与整个系统保持同步，正常、稳定地工作。
参考文献
[1] Ulrich L.Rohde ，Dadid P. Newkirk.无线电应用的射频电路设计.第1 版.北京：电子工业出版社， 2006 年.pp102- 127.
[2] 《中国集成电路大全》编委会.微波集成电路.第1 版.北京： 国防工业出版社，1995.pp372- 387
作者简介
陈雪燕：石家庄桥西区宫家庄新世纪小区B区2号楼2单元704室 陈雪燕 13180582457
[关键词]雷达 收发开关 射频开关 隔离度
中图分类号：TD956.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0026-01
1 概述
为了在信号功率电平越来越高时仍能保持好的线性度，大多数天线开关采用越来越复杂的设计拓扑来满足这些更加严格的线性要求。例如，在天线开关模块中经常集成有电荷泵，用于提升电池电压以控制构成开关的场效应晶体管（FET）。这种方案通常是一种合理的折衷，因为它减少了对更大FET的需求，改善了开关插损和隔离性能，增强了开关压缩点的鲁棒性。开关压缩点定义为增益被压缩0.1dB或1dB的输出功率点（P0.1dB或P1dB）。
2 雷达电子开关的设计与实现
2.1 设计思想
雷达开关的原理是通过时序信号TR控制接收机的打开与关闭，接收机打开时接收回波信号，关闭接收机时发射机就会打开并发射信号，发射完毕后关闭发射机，再次打开接收机接收，周而復始。描述电子开关的基本技术指标是隔离度和差损，其说明如下：
（1）隔离度 隔离度是电子开关关断有效性的量度。理想的电子开关在没有触发信号的情况下应具有非常大的电阻，以保证通过电路的电流极小，是关断状态。然而由于电子器件在实际中不可能保证关断时的内部电阻为无穷大，漏电流的存在使电子开关的输出不严格为零。我们将开关接通时在开关输出端测得的功率与开关断开时在开关输出端测得的功率之差定义为开关的隔离度，单位是dB。一般说来，隔离度在-100dB 左右的开关就能够完全满足所需的要求。
（2）差损 雷达接收机接收到的信号大多是淹没在噪声中的回波信号。因此，接收信号的信噪比是否能够达到指标是雷达能否正常工作的关键。电子开关作为电路，本身会有损耗，损耗会降低接收信号的信噪比。因此控制开关输入输出之间的损耗就是差损，是设计电子开关中最重要的一个问题。
脉冲雷达系统中所使用的数字电子开关应具有可控性，即由雷达的工作时序控制开关的打开或关闭，与发射机和接收机的工作状态保持同步。Maxim公司的MAX4566是一块受控CMOS射频开关，IN为控制信号输入端，COM为信号输入端，NO与NC为信号输出端，两组控制信号可控制四组开关。当IN为低电平时，第1和2路开关关闭，3和4路开关打开；当IN为高电平时，第1和2路开关打开，3和4路开关关闭。可根据不同的需要，灵活的选择。
2.2 电路设计与实现
脉冲雷达系统多工作在高频段，频率范围一般从3M～30MHz。MAX4566 的设计指标为，在10MHz以下，隔离度-83dB，差损2.5dB。但在实际测量中我们发现，由于电路设计和系统噪声的影响，隔离度往往达不到设计指标，在10MHz 时，隔离度仅为-70dB，并且频率越高，隔离度越低。为了提高开关的隔离度，满足开关隔离度要求，我们设计3个芯片级联成T 型结构的方式。电路图如图1所示。
图1中，TR为时序控制信号，与控制接收机的时序同步，当TR低电平时开关关闭，当TR为高电平时开关打开。当开关导通时Q1、Q2导通，Q3关闭，信号从RF_IN 到RF_OUT 经过Q1、Q2，因此差损也相应变为5dB；当开关关闭时Q1、Q2 关闭，Q3 导通，信号分流到GND。由于经过子开关Q1、Q2 两级隔离，隔离度有所提高，在信号频率为30MHz时隔离度达到-80dB 以上。
我们设置输入信号的频率为30MHz，相当于雷达系统工作时接收信号的频率，波形为正弦波。TR端输入频率为4kHz TTL电平的方波作为控制信号，用频谱分析仪测量输出信号，与输入信号进行比较得出开关的隔离度与差损值。由测试数据可知，开关的隔离度约为-80dB，差损约为5dB。
3 改进雷达系统开关电路
3.1 设计思想
在雷达的接收系统中，需要对接收信号进行解调、整形和放大。通常的雷达开关在后级的放大器部分都是对接收回波进行单一的放大，其结果是有用信号、噪声以及地波都得到了相同的放大，对提高接收信号的信噪比没有明显的效果。因此考虑设计一种能够自动识别接收回波中的有用信号与噪声，然后分别进行放大和衰减，这样既可以弥补由于前级开关的差损而产生的信号衰减，也可以增强雷达接收信号的信噪比，提高雷达系统的信号处理能力。
3.2 电路设计与实现
AD603的连接示意图如图2所示，TR为时序控制信号，与控制接收机及前级开关的时序同步，TR控制AD603的增益值，INPUT是信号输入端，与前级开关的输出端相连。±VCC=±5V。经过提高了信噪比的回波信号从OUT端输入到下一级。
通过计算，当 AD603 作为衰减器时，采用VG 为-500mV，此时增益为-10dB；当AD603 进行正常放大时，采用VG为-100mV，此时增益为6dB。因此在输出端的输出信号对前级就有了16dB的增益改善。若需要更大的增益改善，只需在额定范围内改变VG的值即可。
4 实验结果与分析
本开关的最终电路图如图3所示，三块MAX4566组成T型开关构成雷达开关的前级，AD603接在前级开关后组成雷达开关的后级。基准电压源电路的输出电压经过分压和选择器后成为AD603 的控制电压VG。INPUT端为雷达接收信号输入端，与雷达天线相连，TR 端为时序控制信号，与整个系统的工作时序同步。回波信号从OUTPUT端进入到下一级。
为了检验开关电路的适用性、稳定性和可靠性，我们把开关安装在自行研制的间隔收发脉冲压缩体制的电离层探测系统中。在探测模式为5M～15MHz 扫频、TR 的频率为8kHz、发射功率为32W的情况下得到频率为7M～9MHz，350km 处F层回波，说明开关能够正常、稳定地工作。在同样的探测条件下，没有经过开关的探测结果是，由于地波过强，造成接收机前端阻塞，因而接收机不能正常的接收回波，导致系统无法正常工作。
通过实验测试，本开关在电离层探测系统上工作稳定、转换速度快，能在TR的控制下很好地与发射机和接收机保持同步工作、开关差损小、隔离度高，接收信号通过开关后信噪比有一定的改善，提高了雷达系统的信号处理能力。本开关最大的优点在于易于控制、通用性很强，能广泛地应用于不同类别的小功率脉冲雷达，只需提供控制雷达工作的时序信号便可使开关与整个系统保持同步，正常、稳定地工作。
参考文献
[1] Ulrich L.Rohde ，Dadid P. Newkirk.无线电应用的射频电路设计.第1 版.北京：电子工业出版社， 2006 年.pp102- 127.
[2] 《中国集成电路大全》编委会.微波集成电路.第1 版.北京： 国防工业出版社，1995.pp372- 387
作者简介
陈雪燕：石家庄桥西区宫家庄新世纪小区B区2号楼2单元704室 陈雪燕 13180582457