方达军事|数字阵列雷达：零中频接收机的优缺点
数字阵列雷达可以实现阵元级的数字收发 ， 为了减少射频前端的复杂性同时降低对高采样率的需求 ， 本文简单介绍正交解调接收机 ， 或者称为零中频接收机 ， 从而每个阵元只需要一个本振就可以了 。
零中频接收机的一个重要的缺陷是IQ正交通道的不平衡性 ， 那如何降低这种不平衡性的影响呢？本文介绍了一种IQ通道不平衡性的补偿方法 ， 这种方法利用数字阵列架构实现这些误差的解相关 ， 并且可以显著降低这些误差对数字波束形成的影响 。
零中频接收机
数字阵列雷达是的特征是在阵列天线的每个阵元上以数字化的形式形成发射波形 ， 而接收到的信号在阵列单元处数字化 ， 并且 ， 波束合成是在数字化后的信号处理阶段中 ， 而不是在射频阶段 。
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为了降低射频前端的复杂性 ， 同时降低对高采样率的需求 ， 提出正交解调接收机(又称零中频接收机等) ， 这种接收机的各个接收阵元只需要一个本振 ， 这种架构需要较少的滤波器及较低的转换采样率 。
优点：
这带来了如下好处：1)降低和损耗和能量损失；2)更容易实现多接收通道的集成；3)降低每个接收通道的数据率 ， 从而使大型阵列的后端处理成为可能 。
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缺点：
然而零差架构也带来了些许影响雷达性能的缺点 ， 如IQ不平衡 ， 二阶交调 ， 直流分量以及1/f噪声 。 本文的主要工作是数字阵列中IQ通道不平衡误差的补偿 。 阵列的每个阵元的接收通道缺陷的去相关已经进行了一段时间 。
虽然有一些射频前端的非理想因素 ， 如混频器杂散去相关 ， 但学术界主要聚焦于模数转换过程中的杂散 。
I/Q通道幅相不平衡
IQ通道的幅相不平衡导致了一个IQ镜像 。 雷达应用比其他应用场景对这个镜像的抑制需求更为迫切；单通道IQ不平衡修正技术无法满足多通道雷达应用需求 。
然而 ， 对于数字阵列 ， 这些误差存在着被去相关化的可能 ， 使得总的数字波束形成的IQ镜像明显低于任何单个通道的输出镜像 。 已有两种方法出现在公开文献中 。
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而重点关注一种新的方法 ， 即考虑阵列中的所有阵元及所有阵元不平衡性的统计估值 。 确定了提高阵列级镜像抑制率的单个补偿因子 。
本文将描述接收通道IQ解调过程并提出一种窄带数字阵列的解析解 。 这些随后应用于一个有32个数字接收单元的阵列的实测数据处理 。 不平衡解调技术还与阵元级直接补偿技术进行了比较 ， 表明该技术显著提升了镜像抑制率 。
前面所讲的IQ通道不均衡性会产生虚假的多普勒目标 ， 事实上 ， 之前通常采用选择合适的采样率和使用数字信号处理实现下变频为IQ信号 ， 这种IQ图像是雷达系统工程师们时常遇到的 。 如果有用的回波信号包含多普勒分量 ， 那么这个镜像也会有多普勒频移 ， 表现为一个较小的 ， 径向速度与真实目标相反的虚假目标 。
三种补偿方法
为了比较数字阵列的IQ不平衡补偿方法 ， 我们假设采用均匀阵列加权 ， 且波束指向天线轴线方向 ， 在有N个正交接收机的情况下 ， 波束形成器的输出为
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接下来介绍下三种IQ不均衡补偿方法：阵元级补偿 ， 随机相位分量法和单复因子补偿法 。
阵元级补偿：
典型情况下可以达到40到60dB的镜像抑制比 ， 有时也可以达到70dB ， 如对于通信系统的单通道情况 。
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