張學(xué)成

(船舶重工集團(tuán)公司723所,揚(yáng)州 225001)

0 引 言

現(xiàn)代雷達(dá)偵察系統(tǒng)面臨著密集、復(fù)雜和捷變的電子信號(hào)環(huán)境,它必須全頻段、全方位、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高分辨地測(cè)量雷達(dá)信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù),并進(jìn)行分選、分析和識(shí)別。對(duì)雷達(dá)載頻的測(cè)量是其中一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容。在各種體制的測(cè)頻接收機(jī)中,瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)具有寬開(多個(gè)倍頻程)的瞬時(shí)頻率覆蓋、100%的截獲概率、較高的分辨率和測(cè)頻能力以及適中的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和造價(jià)。

在國(guó)外,這種技術(shù)已經(jīng)成熟并作為一種模塊或部件廣泛用于各種電子戰(zhàn)設(shè)備中,在國(guó)內(nèi)也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步,對(duì)瞬時(shí)測(cè)頻指標(biāo)的要求也不斷提高。因此,高性能、小型的標(biāo)準(zhǔn)化通用瞬時(shí)測(cè)頻模塊是當(dāng)前的主要需求。本文介紹了頻段為2～18 GHz、靈敏度≤-60 dBm、動(dòng)態(tài)范圍≥70 dBm的瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 實(shí)現(xiàn)方法

實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)測(cè)頻有幾種技術(shù)途徑,只要能瞬時(shí)(單脈沖)給出輸入射頻(RF)信號(hào)的數(shù)字頻率代碼,均可稱為數(shù)字瞬時(shí)測(cè)頻。這里所說的是數(shù)字式多通道延遲線鑒頻體制的瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù),它建立在相位干涉原理之上,所采用的自相關(guān)技術(shù)是波的干涉原理的一種具體應(yīng)用。

瞬時(shí)測(cè)頻的核心部件是微波鑒相器,它由功分器、延遲線、3 dB 90°電橋、平方律檢波器組成。采用單個(gè)鑒相器的瞬時(shí)測(cè)頻分辨率有限,量化最多可達(dá)6位,則平均測(cè)頻分辨率為△f/64。為保證測(cè)頻精度,避免出現(xiàn)測(cè)頻模糊,對(duì)延遲線和相關(guān)器的相位精度及系統(tǒng)的信噪比要求也很高。

實(shí)際采用的實(shí)施方法如圖1所示。這是一個(gè)五通道混合延遲線長(zhǎng)度比的測(cè)頻方法。5個(gè)通道的延遲線長(zhǎng)度分別為 τ,2τ,8τ,32τ,128τ。延遲線長(zhǎng)度比例為1∶2∶4∶4∶4,相應(yīng)的瞬時(shí)測(cè)頻系統(tǒng)為5個(gè)通道,最長(zhǎng)延時(shí)線通道(128τ)決定了分辨率,最短延時(shí)線通道(τ)決定了不模糊帶寬,其中最長(zhǎng)延時(shí)線線通道進(jìn)行6 bit編碼,最短延時(shí)線通道進(jìn)行1 bit編碼,其余通道進(jìn)行2 bit編碼,總共13 bit編碼,頻率分辨率2 MHz。采用兩級(jí)限幅放大器,增益大于80 dBm,在限幅放大器后加設(shè)濾波器用于濾除帶外信號(hào)。由于頻帶寬、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大,所以帶內(nèi)平坦度較差,在濾波器后加設(shè)1個(gè)斜率校正器用以改善帶內(nèi)平坦度。

圖1 瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)方框圖

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 寬帶功分器

采用了寬頻帶耦合帶狀線型2路等相、等功率功分器的理論設(shè)計(jì),通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),編制了優(yōu)化程序,使其性能最優(yōu)。結(jié)構(gòu)上采用三層帶狀線結(jié)構(gòu),上下介質(zhì)層及中間電路板全部采用進(jìn)口的高性能RT/DUROID 5880材料,在不影響性能的基礎(chǔ)上,盡可能在體積上進(jìn)行壓縮,研制成功了 2～18 GHz頻段的小型化功分器組。該器件有良好的輸入輸出駐波比(＜1.8)、良好的平分度(＜±0.5 dB)、較高的隔離度(＞15 dB)。

2.2 寬帶相關(guān)器

在研制成功的寬帶3 dB橋及功分器的基礎(chǔ)上,采用3個(gè)3 dB橋及1個(gè)功分器,拼成1個(gè)相關(guān)器。采用雙面電路做在1片厚0.127 mm的基片上,仍采用三層帶狀線結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)過程中也采用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),在不影響電性能的基礎(chǔ)上將體積進(jìn)行壓縮。最終用Agilent E8362B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)出相關(guān)器的相位誤差(＜±10°),輸出臂的平分度(＜±1 dB),輸入、輸出駐波比 (＜1.8),滿足測(cè)頻接收機(jī)的編碼體制、校碼的相位誤差要求。

2.3 寬帶檢波器

采用微帶電路設(shè)計(jì),將電路做在6 mm×4 mm×0.3 mm的AL2O3陶瓷基片上,并焊上檢波二極管(低勢(shì)壘肖特基二級(jí)管)管芯,工作帶寬為50 MHz～20 GHz,輸入駐波比＜2,低電平電壓靈敏度＞0.4 mV/μ W。

2.4 視放和移相量化電路

雷達(dá)載波信號(hào)經(jīng)微波鑒頻器輸出4路信號(hào):1+sinθ、1-sinθ、1+cosθ、1-cosθ,由視頻差分運(yùn)算放大器進(jìn)行差分放大,使之變成完全正交的 sinθ、-sinθ、cosθ、-cosθ4 路信號(hào) 。通過調(diào)整增益電位器,使4路輸出信號(hào)幅度歸一化。這4路信號(hào)通過電阻環(huán)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)移相,根據(jù)編碼需要輸出1組移相信號(hào),再通過高速比較器進(jìn)行量化,形成編碼。

2.5 門限電路

瞬時(shí)測(cè)頻的工作時(shí)序由內(nèi)部門限電路控制,選用次精通道相關(guān)器輸出與固定電平相比較產(chǎn)生視頻門限信號(hào)VIDEO PULSE,此視頻門限信號(hào)為整機(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn)。接收正常脈沖信號(hào)時(shí),VIDEO PULSE經(jīng)適當(dāng)延時(shí),鎖存量化電路產(chǎn)生的相位碼,頻率編碼電路根據(jù)相位碼編出頻率碼,同時(shí)給出相應(yīng)的標(biāo)志信號(hào)。若信號(hào)的脈沖寬度大于500 μ s,給出連續(xù)波標(biāo)志;同時(shí),瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)每隔1 ms給出當(dāng)前頻率碼和相應(yīng)標(biāo)志信號(hào)。若調(diào)頻信號(hào)標(biāo)志(FM_EN)有效,則接收機(jī)門限電路每隔500 ns給出當(dāng)前信號(hào)采樣的頻率碼和相應(yīng)標(biāo)志信號(hào)。

2.6 溫度校碼電路

延時(shí)線的相位隨溫度變化比較大,是影響測(cè)頻精度的主要因素。將延時(shí)線置于恒溫環(huán)境中可以解決這個(gè)問題,但由于恒溫方式占用體積大、功耗高、需要預(yù)熱等缺點(diǎn),決定采用實(shí)時(shí)查表校正法。實(shí)時(shí)查表校正法是在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)建立校表,利用測(cè)試軟件對(duì)瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)進(jìn)行快速測(cè)試,通過計(jì)算誤差曲線得出校正表,用溫度和頻率作為地址查表補(bǔ)償,使測(cè)頻接收機(jī)在不同的環(huán)境溫度下保證很好的測(cè)頻精度。

3 性能測(cè)試

利用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在常溫下進(jìn)行測(cè)試,測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖2～圖5所示。

功率為-60 dBm、脈寬為50 ns時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

圖2 功率-60 dBm、脈寬 50 ns時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)曲線

功率為-60 dBm、脈寬為連續(xù)波時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。

圖3 功率-60 dBm、脈寬為連續(xù)波時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)曲線

功率為10 dBm、脈寬為50 ns時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

圖4 功率 10 dBm、脈寬50 ns時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)曲線

功率為10 dBm、脈寬為連續(xù)波時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

圖5 功率10 dBm、脈寬為連續(xù)波時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)曲線

從以上數(shù)據(jù)可以看出,在-60～+10 dBm動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),脈寬50 ns～連續(xù)波的2～18 GHz信號(hào)可以保證很好的測(cè)頻精度。

最終完成的測(cè)頻接收機(jī)性能指標(biāo)為:頻段:2～18 GHz;脈沖寬度:50 ns～連續(xù)波;輸入功率:-60 dBm～+10 dBm;測(cè)頻時(shí)間≤200 ns;均方根誤差≤3.5 MHz。

另外,該測(cè)頻接收機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、體積小、重量輕等特點(diǎn)。

4 結(jié)束語

這種寬帶大動(dòng)態(tài)瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)技術(shù)先進(jìn),在實(shí)際工作中穩(wěn)定可靠,使用維修方便,其性能指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性能夠滿足多種平臺(tái)的要求,處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平,應(yīng)用前景廣闊。

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