淺談雷達系統數字收發開關的設計

江水

[摘 要]無論是在軍用還是在民用領域，射頻接收技術在無線通信中的作用顯得越來越重要。收發開關是雷達系統和射頻通信系統的重要組成部分，對系統性能起著關鍵性的作用。這篇論文以MAX4566 CMOS射頻開關芯片為基礎，設計了一種T 型結構的數字天線收發開關。經過實驗測量表明該開關系統達到了技術指標要求，能滿足不同小功率脈沖雷達的要求。更多還原

[關鍵詞]雷達 收發開關 射頻開關 隔離度

中圖分類號：TD956.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0026-01

1 概述

為了在信號功率電平越來越高時仍能保持好的線性度，大多數天線開關采用越來越復雜的設計拓撲來滿足這些更加嚴格的線性要求。例如，在天線開關模塊中經常集成有電荷泵，用于提升電池電壓以控制構成開關的場效應晶體管（FET）。這種方案通常是一種合理的折衷，因為它減少了對更大FET的需求，改善了開關插損和隔離性能，增強了開關壓縮點的魯棒性。開關壓縮點定義為增益被壓縮0.1dB或1dB的輸出功率點（P0.1dB或P1dB）。

2 雷達電子開關的設計與實現

2.1 設計思想

雷達開關的原理是通過時序信號TR控制接收機的打開與關閉，接收機打開時接收回波信號，關閉接收機時發射機就會打開并發射信號，發射完畢后關閉發射機，再次打開接收機接收，周而復始。描述電子開關的基本技術指標是隔離度和差損，其說明如下：

（1）隔離度 隔離度是電子開關關斷有效性的量度。理想的電子開關在沒有觸發信號的情況下應具有非常大的電阻，以保證通過電路的電流極小，是關斷狀態。然而由于電子器件在實際中不可能保證關斷時的內部電阻為無窮大，漏電流的存在使電子開關的輸出不嚴格為零。我們將開關接通時在開關輸出端測得的功率與開關斷開時在開關輸出端測得的功率之差定義為開關的隔離度，單位是dB。一般說來，隔離度在-100dB 左右的開關就能夠完全滿足所需的要求。

（2）差損 雷達接收機接收到的信號大多是淹沒在噪聲中的回波信號。因此，接收信號的信噪比是否能夠達到指標是雷達能否正常工作的關鍵。電子開關作為電路，本身會有損耗，損耗會降低接收信號的信噪比。因此控制開關輸入輸出之間的損耗就是差損，是設計電子開關中最重要的一個問題。

脈沖雷達系統中所使用的數字電子開關應具有可控性，即由雷達的工作時序控制開關的打開或關閉，與發射機和接收機的工作狀態保持同步。Maxim公司的MAX4566是一塊受控CMOS射頻開關，IN為控制信號輸入端，COM為信號輸入端，NO與NC為信號輸出端，兩組控制信號可控制四組開關。當IN為低電平時，第1和2路開關關閉，3和4路開關打開；當IN為高電平時，第1和2路開關打開，3和4路開關關閉?？筛鶕煌男枰?，靈活的選擇。

2.2 電路設計與實現

脈沖雷達系統多工作在高頻段，頻率范圍一般從3M～30MHz。MAX4566 的設計指標為，在10MHz以下，隔離度-83dB，差損2.5dB。但在實際測量中我們發現，由于電路設計和系統噪聲的影響，隔離度往往達不到設計指標，在10MHz 時，隔離度僅為-70dB，并且頻率越高，隔離度越低。為了提高開關的隔離度，滿足開關隔離度要求，我們設計3個芯片級聯成T 型結構的方式。電路圖如圖1所示。

圖1中，TR為時序控制信號，與控制接收機的時序同步，當TR低電平時開關關閉，當TR為高電平時開關打開。當開關導通時Q1、Q2導通，Q3關閉，信號從RF_IN 到RF_OUT 經過Q1、Q2，因此差損也相應變為5dB；當開關關閉時Q1、Q2 關閉，Q3 導通，信號分流到GND。由于經過子開關Q1、Q2 兩級隔離，隔離度有所提高，在信號頻率為30MHz時隔離度達到-80dB 以上。

我們設置輸入信號的頻率為30MHz，相當于雷達系統工作時接收信號的頻率，波形為正弦波。TR端輸入頻率為4kHz TTL電平的方波作為控制信號，用頻譜分析儀測量輸出信號，與輸入信號進行比較得出開關的隔離度與差損值。由測試數據可知，開關的隔離度約為-80dB，差損約為5dB。

3 改進雷達系統開關電路

3.1 設計思想

在雷達的接收系統中，需要對接收信號進行解調、整形和放大。通常的雷達開關在后級的放大器部分都是對接收回波進行單一的放大，其結果是有用信號、噪聲以及地波都得到了相同的放大，對提高接收信號的信噪比沒有明顯的效果。因此考慮設計一種能夠自動識別接收回波中的有用信號與噪聲，然后分別進行放大和衰減，這樣既可以彌補由于前級開關的差損而產生的信號衰減，也可以增強雷達接收信號的信噪比，提高雷達系統的信號處理能力。

3.2 電路設計與實現

AD603的連接示意圖如圖2所示，TR為時序控制信號，與控制接收機及前級開關的時序同步，TR控制AD603的增益值，INPUT是信號輸入端，與前級開關的輸出端相連?！繴CC=±5V。經過提高了信噪比的回波信號從OUT端輸入到下一級。

通過計算，當 AD603 作為衰減器時，采用VG 為-500mV，此時增益為-10dB；當AD603 進行正常放大時，采用VG為-100mV，此時增益為6dB。因此在輸出端的輸出信號對前級就有了16dB的增益改善。若需要更大的增益改善，只需在額定范圍內改變VG的值即可。

4 實驗結果與分析

本開關的最終電路圖如圖3所示，三塊MAX4566組成T型開關構成雷達開關的前級，AD603接在前級開關后組成雷達開關的后級?；鶞孰妷涸措娐返妮敵鲭妷航涍^分壓和選擇器后成為AD603 的控制電壓VG。INPUT端為雷達接收信號輸入端，與雷達天線相連，TR 端為時序控制信號，與整個系統的工作時序同步?；夭ㄐ盘枏腛UTPUT端進入到下一級。

為了檢驗開關電路的適用性、穩定性和可靠性，我們把開關安裝在自行研制的間隔收發脈沖壓縮體制的電離層探測系統中。在探測模式為5M～15MHz 掃頻、TR 的頻率為8kHz、發射功率為32W的情況下得到頻率為7M～9MHz，350km 處F層回波，說明開關能夠正常、穩定地工作。在同樣的探測條件下，沒有經過開關的探測結果是，由于地波過強，造成接收機前端阻塞，因而接收機不能正常的接收回波，導致系統無法正常工作。

通過實驗測試，本開關在電離層探測系統上工作穩定、轉換速度快，能在TR的控制下很好地與發射機和接收機保持同步工作、開關差損小、隔離度高，接收信號通過開關后信噪比有一定的改善，提高了雷達系統的信號處理能力。本開關最大的優點在于易于控制、通用性很強，能廣泛地應用于不同類別的小功率脈沖雷達，只需提供控制雷達工作的時序信號便可使開關與整個系統保持同步，正常、穩定地工作。

參考文獻

[1] Ulrich L.Rohde ，Dadid P. Newkirk.無線電應用的射頻電路設計.第1 版.北京：電子工業出版社， 2006 年.pp102- 127.

[2] 《中國集成電路大全》編委會.微波集成電路.第1 版.北京： 國防工業出版社，1995.pp372- 387

作者簡介

陳雪燕：石家莊橋西區宮家莊新世紀小區B區2號樓2單元704室 陳雪燕 13180582457endprint

[摘 要]無論是在軍用還是在民用領域，射頻接收技術在無線通信中的作用顯得越來越重要。收發開關是雷達系統和射頻通信系統的重要組成部分，對系統性能起著關鍵性的作用。這篇論文以MAX4566 CMOS射頻開關芯片為基礎，設計了一種T 型結構的數字天線收發開關。經過實驗測量表明該開關系統達到了技術指標要求，能滿足不同小功率脈沖雷達的要求。更多還原

[關鍵詞]雷達 收發開關 射頻開關 隔離度

中圖分類號：TD956.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0026-01

1 概述

為了在信號功率電平越來越高時仍能保持好的線性度，大多數天線開關采用越來越復雜的設計拓撲來滿足這些更加嚴格的線性要求。例如，在天線開關模塊中經常集成有電荷泵，用于提升電池電壓以控制構成開關的場效應晶體管（FET）。這種方案通常是一種合理的折衷，因為它減少了對更大FET的需求，改善了開關插損和隔離性能，增強了開關壓縮點的魯棒性。開關壓縮點定義為增益被壓縮0.1dB或1dB的輸出功率點（P0.1dB或P1dB）。

2 雷達電子開關的設計與實現

2.1 設計思想

雷達開關的原理是通過時序信號TR控制接收機的打開與關閉，接收機打開時接收回波信號，關閉接收機時發射機就會打開并發射信號，發射完畢后關閉發射機，再次打開接收機接收，周而復始。描述電子開關的基本技術指標是隔離度和差損，其說明如下：

（1）隔離度 隔離度是電子開關關斷有效性的量度。理想的電子開關在沒有觸發信號的情況下應具有非常大的電阻，以保證通過電路的電流極小，是關斷狀態。然而由于電子器件在實際中不可能保證關斷時的內部電阻為無窮大，漏電流的存在使電子開關的輸出不嚴格為零。我們將開關接通時在開關輸出端測得的功率與開關斷開時在開關輸出端測得的功率之差定義為開關的隔離度，單位是dB。一般說來，隔離度在-100dB 左右的開關就能夠完全滿足所需的要求。

（2）差損 雷達接收機接收到的信號大多是淹沒在噪聲中的回波信號。因此，接收信號的信噪比是否能夠達到指標是雷達能否正常工作的關鍵。電子開關作為電路，本身會有損耗，損耗會降低接收信號的信噪比。因此控制開關輸入輸出之間的損耗就是差損，是設計電子開關中最重要的一個問題。

脈沖雷達系統中所使用的數字電子開關應具有可控性，即由雷達的工作時序控制開關的打開或關閉，與發射機和接收機的工作狀態保持同步。Maxim公司的MAX4566是一塊受控CMOS射頻開關，IN為控制信號輸入端，COM為信號輸入端，NO與NC為信號輸出端，兩組控制信號可控制四組開關。當IN為低電平時，第1和2路開關關閉，3和4路開關打開；當IN為高電平時，第1和2路開關打開，3和4路開關關閉?？筛鶕煌男枰?，靈活的選擇。

2.2 電路設計與實現

脈沖雷達系統多工作在高頻段，頻率范圍一般從3M～30MHz。MAX4566 的設計指標為，在10MHz以下，隔離度-83dB，差損2.5dB。但在實際測量中我們發現，由于電路設計和系統噪聲的影響，隔離度往往達不到設計指標，在10MHz 時，隔離度僅為-70dB，并且頻率越高，隔離度越低。為了提高開關的隔離度，滿足開關隔離度要求，我們設計3個芯片級聯成T 型結構的方式。電路圖如圖1所示。

圖1中，TR為時序控制信號，與控制接收機的時序同步，當TR低電平時開關關閉，當TR為高電平時開關打開。當開關導通時Q1、Q2導通，Q3關閉，信號從RF_IN 到RF_OUT 經過Q1、Q2，因此差損也相應變為5dB；當開關關閉時Q1、Q2 關閉，Q3 導通，信號分流到GND。由于經過子開關Q1、Q2 兩級隔離，隔離度有所提高，在信號頻率為30MHz時隔離度達到-80dB 以上。

我們設置輸入信號的頻率為30MHz，相當于雷達系統工作時接收信號的頻率，波形為正弦波。TR端輸入頻率為4kHz TTL電平的方波作為控制信號，用頻譜分析儀測量輸出信號，與輸入信號進行比較得出開關的隔離度與差損值。由測試數據可知，開關的隔離度約為-80dB，差損約為5dB。

3 改進雷達系統開關電路

3.1 設計思想

在雷達的接收系統中，需要對接收信號進行解調、整形和放大。通常的雷達開關在后級的放大器部分都是對接收回波進行單一的放大，其結果是有用信號、噪聲以及地波都得到了相同的放大，對提高接收信號的信噪比沒有明顯的效果。因此考慮設計一種能夠自動識別接收回波中的有用信號與噪聲，然后分別進行放大和衰減，這樣既可以彌補由于前級開關的差損而產生的信號衰減，也可以增強雷達接收信號的信噪比，提高雷達系統的信號處理能力。

3.2 電路設計與實現

AD603的連接示意圖如圖2所示，TR為時序控制信號，與控制接收機及前級開關的時序同步，TR控制AD603的增益值，INPUT是信號輸入端，與前級開關的輸出端相連?！繴CC=±5V。經過提高了信噪比的回波信號從OUT端輸入到下一級。

通過計算，當 AD603 作為衰減器時，采用VG 為-500mV，此時增益為-10dB；當AD603 進行正常放大時，采用VG為-100mV，此時增益為6dB。因此在輸出端的輸出信號對前級就有了16dB的增益改善。若需要更大的增益改善，只需在額定范圍內改變VG的值即可。

4 實驗結果與分析

本開關的最終電路圖如圖3所示，三塊MAX4566組成T型開關構成雷達開關的前級，AD603接在前級開關后組成雷達開關的后級?；鶞孰妷涸措娐返妮敵鲭妷航涍^分壓和選擇器后成為AD603 的控制電壓VG。INPUT端為雷達接收信號輸入端，與雷達天線相連，TR 端為時序控制信號，與整個系統的工作時序同步?；夭ㄐ盘枏腛UTPUT端進入到下一級。

為了檢驗開關電路的適用性、穩定性和可靠性，我們把開關安裝在自行研制的間隔收發脈沖壓縮體制的電離層探測系統中。在探測模式為5M～15MHz 掃頻、TR 的頻率為8kHz、發射功率為32W的情況下得到頻率為7M～9MHz，350km 處F層回波，說明開關能夠正常、穩定地工作。在同樣的探測條件下，沒有經過開關的探測結果是，由于地波過強，造成接收機前端阻塞，因而接收機不能正常的接收回波，導致系統無法正常工作。

通過實驗測試，本開關在電離層探測系統上工作穩定、轉換速度快，能在TR的控制下很好地與發射機和接收機保持同步工作、開關差損小、隔離度高，接收信號通過開關后信噪比有一定的改善，提高了雷達系統的信號處理能力。本開關最大的優點在于易于控制、通用性很強，能廣泛地應用于不同類別的小功率脈沖雷達，只需提供控制雷達工作的時序信號便可使開關與整個系統保持同步，正常、穩定地工作。

參考文獻

[1] Ulrich L.Rohde ，Dadid P. Newkirk.無線電應用的射頻電路設計.第1 版.北京：電子工業出版社， 2006 年.pp102- 127.

[2] 《中國集成電路大全》編委會.微波集成電路.第1 版.北京： 國防工業出版社，1995.pp372- 387

作者簡介

陳雪燕：石家莊橋西區宮家莊新世紀小區B區2號樓2單元704室 陳雪燕 13180582457endprint

[摘 要]無論是在軍用還是在民用領域，射頻接收技術在無線通信中的作用顯得越來越重要。收發開關是雷達系統和射頻通信系統的重要組成部分，對系統性能起著關鍵性的作用。這篇論文以MAX4566 CMOS射頻開關芯片為基礎，設計了一種T 型結構的數字天線收發開關。經過實驗測量表明該開關系統達到了技術指標要求，能滿足不同小功率脈沖雷達的要求。更多還原

[關鍵詞]雷達 收發開關 射頻開關 隔離度

中圖分類號：TD956.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0026-01

1 概述

為了在信號功率電平越來越高時仍能保持好的線性度，大多數天線開關采用越來越復雜的設計拓撲來滿足這些更加嚴格的線性要求。例如，在天線開關模塊中經常集成有電荷泵，用于提升電池電壓以控制構成開關的場效應晶體管（FET）。這種方案通常是一種合理的折衷，因為它減少了對更大FET的需求，改善了開關插損和隔離性能，增強了開關壓縮點的魯棒性。開關壓縮點定義為增益被壓縮0.1dB或1dB的輸出功率點（P0.1dB或P1dB）。

2 雷達電子開關的設計與實現

2.1 設計思想

雷達開關的原理是通過時序信號TR控制接收機的打開與關閉，接收機打開時接收回波信號，關閉接收機時發射機就會打開并發射信號，發射完畢后關閉發射機，再次打開接收機接收，周而復始。描述電子開關的基本技術指標是隔離度和差損，其說明如下：

（1）隔離度 隔離度是電子開關關斷有效性的量度。理想的電子開關在沒有觸發信號的情況下應具有非常大的電阻，以保證通過電路的電流極小，是關斷狀態。然而由于電子器件在實際中不可能保證關斷時的內部電阻為無窮大，漏電流的存在使電子開關的輸出不嚴格為零。我們將開關接通時在開關輸出端測得的功率與開關斷開時在開關輸出端測得的功率之差定義為開關的隔離度，單位是dB。一般說來，隔離度在-100dB 左右的開關就能夠完全滿足所需的要求。

（2）差損 雷達接收機接收到的信號大多是淹沒在噪聲中的回波信號。因此，接收信號的信噪比是否能夠達到指標是雷達能否正常工作的關鍵。電子開關作為電路，本身會有損耗，損耗會降低接收信號的信噪比。因此控制開關輸入輸出之間的損耗就是差損，是設計電子開關中最重要的一個問題。

脈沖雷達系統中所使用的數字電子開關應具有可控性，即由雷達的工作時序控制開關的打開或關閉，與發射機和接收機的工作狀態保持同步。Maxim公司的MAX4566是一塊受控CMOS射頻開關，IN為控制信號輸入端，COM為信號輸入端，NO與NC為信號輸出端，兩組控制信號可控制四組開關。當IN為低電平時，第1和2路開關關閉，3和4路開關打開；當IN為高電平時，第1和2路開關打開，3和4路開關關閉?？筛鶕煌男枰?，靈活的選擇。

2.2 電路設計與實現

脈沖雷達系統多工作在高頻段，頻率范圍一般從3M～30MHz。MAX4566 的設計指標為，在10MHz以下，隔離度-83dB，差損2.5dB。但在實際測量中我們發現，由于電路設計和系統噪聲的影響，隔離度往往達不到設計指標，在10MHz 時，隔離度僅為-70dB，并且頻率越高，隔離度越低。為了提高開關的隔離度，滿足開關隔離度要求，我們設計3個芯片級聯成T 型結構的方式。電路圖如圖1所示。

圖1中，TR為時序控制信號，與控制接收機的時序同步，當TR低電平時開關關閉，當TR為高電平時開關打開。當開關導通時Q1、Q2導通，Q3關閉，信號從RF_IN 到RF_OUT 經過Q1、Q2，因此差損也相應變為5dB；當開關關閉時Q1、Q2 關閉，Q3 導通，信號分流到GND。由于經過子開關Q1、Q2 兩級隔離，隔離度有所提高，在信號頻率為30MHz時隔離度達到-80dB 以上。

我們設置輸入信號的頻率為30MHz，相當于雷達系統工作時接收信號的頻率，波形為正弦波。TR端輸入頻率為4kHz TTL電平的方波作為控制信號，用頻譜分析儀測量輸出信號，與輸入信號進行比較得出開關的隔離度與差損值。由測試數據可知，開關的隔離度約為-80dB，差損約為5dB。

3 改進雷達系統開關電路

3.1 設計思想

在雷達的接收系統中，需要對接收信號進行解調、整形和放大。通常的雷達開關在后級的放大器部分都是對接收回波進行單一的放大，其結果是有用信號、噪聲以及地波都得到了相同的放大，對提高接收信號的信噪比沒有明顯的效果。因此考慮設計一種能夠自動識別接收回波中的有用信號與噪聲，然后分別進行放大和衰減，這樣既可以彌補由于前級開關的差損而產生的信號衰減，也可以增強雷達接收信號的信噪比，提高雷達系統的信號處理能力。

3.2 電路設計與實現

AD603的連接示意圖如圖2所示，TR為時序控制信號，與控制接收機及前級開關的時序同步，TR控制AD603的增益值，INPUT是信號輸入端，與前級開關的輸出端相連?！繴CC=±5V。經過提高了信噪比的回波信號從OUT端輸入到下一級。

通過計算，當 AD603 作為衰減器時，采用VG 為-500mV，此時增益為-10dB；當AD603 進行正常放大時，采用VG為-100mV，此時增益為6dB。因此在輸出端的輸出信號對前級就有了16dB的增益改善。若需要更大的增益改善，只需在額定范圍內改變VG的值即可。

4 實驗結果與分析

本開關的最終電路圖如圖3所示，三塊MAX4566組成T型開關構成雷達開關的前級，AD603接在前級開關后組成雷達開關的后級?；鶞孰妷涸措娐返妮敵鲭妷航涍^分壓和選擇器后成為AD603 的控制電壓VG。INPUT端為雷達接收信號輸入端，與雷達天線相連，TR 端為時序控制信號，與整個系統的工作時序同步?；夭ㄐ盘枏腛UTPUT端進入到下一級。

為了檢驗開關電路的適用性、穩定性和可靠性，我們把開關安裝在自行研制的間隔收發脈沖壓縮體制的電離層探測系統中。在探測模式為5M～15MHz 掃頻、TR 的頻率為8kHz、發射功率為32W的情況下得到頻率為7M～9MHz，350km 處F層回波，說明開關能夠正常、穩定地工作。在同樣的探測條件下，沒有經過開關的探測結果是，由于地波過強，造成接收機前端阻塞，因而接收機不能正常的接收回波，導致系統無法正常工作。

通過實驗測試，本開關在電離層探測系統上工作穩定、轉換速度快，能在TR的控制下很好地與發射機和接收機保持同步工作、開關差損小、隔離度高，接收信號通過開關后信噪比有一定的改善，提高了雷達系統的信號處理能力。本開關最大的優點在于易于控制、通用性很強，能廣泛地應用于不同類別的小功率脈沖雷達，只需提供控制雷達工作的時序信號便可使開關與整個系統保持同步，正常、穩定地工作。

參考文獻

[1] Ulrich L.Rohde ，Dadid P. Newkirk.無線電應用的射頻電路設計.第1 版.北京：電子工業出版社， 2006 年.pp102- 127.

[2] 《中國集成電路大全》編委會.微波集成電路.第1 版.北京： 國防工業出版社，1995.pp372- 387

作者簡介

陳雪燕：石家莊橋西區宮家莊新世紀小區B區2號樓2單元704室 陳雪燕 13180582457endprint