李明亮， 劉曉寧， 李懸雷

（1．上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090；2．海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍代室，上海200233）

0 引言

被動(dòng)導(dǎo)引頭是反輻射導(dǎo)彈（ARM）的關(guān)鍵部件。被動(dòng)導(dǎo)引頭截獲目標(biāo)輻射的信號(hào)并實(shí)時(shí)檢測(cè)出導(dǎo)彈與目標(biāo)的角信息，傳送給控制系統(tǒng)，導(dǎo)引導(dǎo)彈實(shí)時(shí)跟蹤直至命中目標(biāo)。方向角信息由導(dǎo)引頭前端的微波接收機(jī)獲得，再由后面的信號(hào)分選裝置進(jìn)行信號(hào)分選及角度處理。微波接收機(jī)是一個(gè)寬帶的信號(hào)及角信息的接收系統(tǒng)，用于接收目標(biāo)的角度信息和脈沖信息，由于目標(biāo)輻射源頻率范圍較廣，微波接收機(jī)的工作頻帶較寬，通常在幾個(gè)GHz甚至十幾個(gè)GHz以上。

為了消除信號(hào)幅度起伏的影響，以及提高測(cè)角精度并實(shí)現(xiàn)測(cè)角的實(shí)時(shí)性，多數(shù)被動(dòng)導(dǎo)引頭采用單脈沖體制，單脈沖的測(cè)角測(cè)向方法是用兩個(gè)及兩個(gè)以上的獨(dú)立支路同時(shí)接收目標(biāo)信號(hào)，然后再將這些信號(hào)加以比較［1］。單脈沖側(cè)向法有振幅測(cè)向法和相位測(cè)向法，本文涉及的被動(dòng)導(dǎo)引頭測(cè)角系統(tǒng)采用的是相位測(cè)向法。對(duì)于相位測(cè)向系統(tǒng)，相位測(cè)量誤差和零位誤差直接決定了系統(tǒng)的測(cè)角精度。本文介紹了一種寬頻帶測(cè)向系統(tǒng)的相位補(bǔ)償方法，以提高測(cè)向系統(tǒng)的測(cè)角精度，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。

1 單脈沖相位測(cè)向原理

單脈沖的測(cè)向原理就在于用兩個(gè)及兩個(gè)以上的獨(dú)立支路同時(shí)接收目標(biāo)信號(hào)，然后將這些信號(hào)加以比較。通常對(duì)每個(gè)測(cè)向坐標(biāo)平面都要采用兩個(gè)獨(dú)立的接收支路。單脈沖測(cè)向法可分為兩種：振幅測(cè)向法和相位測(cè)向法。這里主要介紹相位測(cè)向法的原理。

相位測(cè)向法系統(tǒng)中，是將兩個(gè)天線所接收到信號(hào)的相位進(jìn)行比較來(lái)確定目標(biāo)在一個(gè)坐標(biāo)平面內(nèi)的角度和方向。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，兩個(gè)天線都照射著同一空間范圍，因此點(diǎn)目標(biāo)輻射的信號(hào)，實(shí)際是振幅相同而相位不同。

如圖1中所示，在兩個(gè)距離為L(zhǎng)的天線間連線，在連線上作中垂線（即等強(qiáng)信號(hào)方向），目標(biāo)觀測(cè)線與此垂線間的夾角為θ。設(shè)天線1與目標(biāo)間的距離為R1，天線2與目標(biāo)間的距離為R2，目標(biāo)至L中心點(diǎn)的距離為R，R1與R2的差值為ΔR，遠(yuǎn)場(chǎng)可以認(rèn)為是平面波，故可得到各表達(dá)式為

由此得到相位差為

圖1 相位法測(cè)向天線

式中：λ為信號(hào)波長(zhǎng)。利用式（4），可以根據(jù)兩個(gè)分開(kāi)的天線所接收到信號(hào)的相位差來(lái)確定到達(dá)角θ即目標(biāo)的方向［2］。

2 一種寬頻帶測(cè)向系統(tǒng)的相位補(bǔ)償方法

2．1 系統(tǒng)基本構(gòu)成

本文涉及的一種寬頻帶測(cè)向系統(tǒng)，采用兩個(gè)獨(dú)立通道的相位測(cè)角方法，工作帶寬大于10 GHz，最高工作頻率在X波段。微波接收機(jī)采用下變頻方式，通過(guò)正交鑒相法測(cè)量通道相位差。系統(tǒng)簡(jiǎn)略原理示意圖，如圖2所示。

射頻信號(hào)經(jīng)混頻后進(jìn)行濾波放大等處理，最后兩路信號(hào)通過(guò)正交鑒相器進(jìn)行鑒相輸出I、Q的正交信號(hào)。I、Q信號(hào)表示的是兩路信號(hào)的相位差，按正余弦變化，I信號(hào)為相位差的正弦電壓值；Q信號(hào)為相位差的余弦電壓值，均為直流信號(hào)；系統(tǒng)輸入單脈沖調(diào)制信號(hào)時(shí)，輸出的I、Q信號(hào)為電壓脈沖。其中一個(gè)通道加入移相器，其相移量為0°～360°，移相器的作用是補(bǔ)償補(bǔ)償通道的固有相差。對(duì)于相位測(cè)向系統(tǒng)，相位的準(zhǔn)確度和零位誤差將影響系統(tǒng)最終的測(cè)角精度。

圖2 寬頻帶測(cè)角系統(tǒng)示意圖

移相器為數(shù)控移相器，由FPGA控制，相位補(bǔ)償值通過(guò)MCU計(jì)算后傳送給FPGA。移相器有八位主控、四位輔助控制，四位輔助控制主要進(jìn)行移相精度補(bǔ)償。

2．2 系統(tǒng)相位分析

當(dāng)接收的信號(hào)的工作頻率和接收機(jī)的本振源頻率是恒定時(shí)，對(duì)公式（4）進(jìn)行求導(dǎo)可得到角誤差dθ和相位誤差d（Δφ）的關(guān)系式為

由式（5）可知：為了使角誤差dθ足夠小，必須使相位誤差d（Δφ）足夠小。為此，對(duì)于系統(tǒng)兩個(gè)通道的相位差，在硬件電路方面需保持高度的一致性，尤其是射頻端，由于波長(zhǎng)很小，較小的不一致也會(huì)產(chǎn)生較大的相位誤差。系統(tǒng)兩個(gè)通道由于不一致性而產(chǎn)生的相位差稱為固有相位差，此相位差可以通過(guò)移相器進(jìn)行補(bǔ)償，使系統(tǒng)固有相差為零，但實(shí)際上，進(jìn)行補(bǔ)償后的相差不能絕對(duì)為零，稱為剩余相差，此剩余相差應(yīng)盡可能地小。

兩個(gè)通道的電路可以等效為兩根微帶傳輸線，當(dāng)兩根傳輸線電長(zhǎng)度完全相同時(shí)兩者是沒(méi)有相位差的。當(dāng)信號(hào)變頻時(shí)，采用可變本振，中頻固定不變。設(shè)此時(shí)一路信號(hào)（天線1）為A1cos（ω0t ＋φ1），另 一 路 信 號(hào) （天 線2）為A2cos（ω0t ＋φ2），兩路信號(hào)的相位差為φ2－φ1（φ2＞φ1）；本振信號(hào)為B cos（ωLOt＋φLO），當(dāng)本振為高本振時(shí)，天線1通道中頻信號(hào)為aBA1cos［ （ωLO－ω0）t＋ （φLO－φ1） ］，天線2通道中頻信號(hào)為bBA2cos［ （ωLO－ω0）t＋ （φLO－φ2） ］，變頻后兩路中頻信號(hào)的相位差為 （φLO－φ2）－（φLO－φ1）＝φ1－φ2?？梢钥闯鼋?jīng)過(guò)下邊帶下變頻時(shí)，兩路信號(hào)的相位差值不變，但符號(hào)發(fā)生了翻轉(zhuǎn)；同樣可以證明經(jīng)過(guò)上邊帶下變頻時(shí)，兩路信號(hào)的相位差值和符號(hào)都不變，即信號(hào)雖然變頻，但相位差是連續(xù)不變的，因此兩路信號(hào)鑒相前在任何位置接入移相器都具有相同的相位校準(zhǔn)和補(bǔ)償能力，并且需要校準(zhǔn)和補(bǔ)償?shù)南辔徊钪凳窍嗤模捎诮?jīng)過(guò)下邊帶下變頻時(shí)，相位差符號(hào)有翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因此在不同位置接入移相器，其相位調(diào)整方向需要進(jìn)行判斷，移相器前有一個(gè)下邊帶下變頻，移相方向就需要翻轉(zhuǎn)一次。

此系統(tǒng)中，移相器放置在中頻端，一方面可以節(jié)約成本；另一方面中頻帶寬較窄，有利于相位穩(wěn)定。兩個(gè)通道中只需放置一個(gè)移相器即可，且應(yīng)放在相位差測(cè)試的基準(zhǔn)通道上，如圖2所示，此系統(tǒng)中輸出的相位差為天線2通道的相位減去天線1通道的相位，移相器需放在天線1的通道中。

由于只在一個(gè)通道放置了移相器，且相位差有正負(fù)之分，當(dāng)天線2通道減天線1通道的相位差為正值時(shí)，只需將移相器移相應(yīng)的度數(shù)；反之當(dāng)相位差值為負(fù)值時(shí)，將相位差加上360，得到一個(gè)小于360的正值，控制移相器移相與之相等數(shù)值的度數(shù)，即實(shí)現(xiàn)了通道相位差正負(fù)兩個(gè)方向的相位補(bǔ)償。

2．3 通道固有相差的補(bǔ)償方法

據(jù)前所述，通道的固有相差是由于兩個(gè)通道的不一致性而產(chǎn)生的，跟信號(hào)頻率有關(guān)，并且與頻率相關(guān)的部分主要產(chǎn)生于射頻端，因?yàn)樵诘谝换祛l之后為固定中頻，此后產(chǎn)生的相位差不再與輸入信號(hào)的頻率有關(guān)，無(wú)論兩路產(chǎn)生多大的相差都可以通過(guò)移相器進(jìn)行補(bǔ)償，固有相差補(bǔ)償?shù)碾y點(diǎn)在射頻部分。

射頻端由于頻率高、頻帶寬，兩個(gè)通道的硬件電路要做到高度一致才能保證兩路相位差波動(dòng)較小，而這在微波頻段很難做到，因此整個(gè)頻段內(nèi)的相位差波動(dòng)將無(wú)規(guī)律可循，采用線性插值的方法不能做到每個(gè)頻點(diǎn)都能補(bǔ)償?shù)暮芎?。這里采用逐點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?/p>

a）首先，設(shè)置移相器相移量為0°，從射頻輸入端口輸入幅度和相位均相同的掃頻信號(hào)，同時(shí)控制本振頻率隨之改變；

b）其次，逐個(gè)頻點(diǎn)測(cè)試通道固有相位差，通道相位差可通過(guò)讀取鑒相輸出的I、Q信號(hào)獲得；

c）最后，分別記錄每個(gè)頻點(diǎn)的通道固有相差，通過(guò)移相器移相進(jìn)行補(bǔ)償，即可將通道的相位差校準(zhǔn)為零。

其中，本振頻率的選擇由本振碼（二進(jìn)制碼）控制，本振碼由外部傳送給MCU，MCU通過(guò)讀取的本振碼計(jì)算本振頻率控制信息，從而控制本振輸出。

對(duì)于相位的溫度補(bǔ)償，由于環(huán)境溫度改變時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證，通道固有相差隨溫度近似呈線性關(guān)系且變化范圍較小，故可采用線性插值的方法：

a）首先，測(cè)量正負(fù)極限溫度及常溫時(shí)通道的固有相差，建立成表；

b）其次，由溫度傳感器讀取環(huán)境溫度信息，MCU通過(guò)ADC將溫度傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

c）最后，根據(jù)溫度信息，通過(guò)對(duì)常溫與正負(fù)極限溫度的三張數(shù)據(jù)表進(jìn)行插值計(jì)算，得到當(dāng)前環(huán)境溫度下的通道相位補(bǔ)償值，將此相位值按相位周期性換算至0°～359°之內(nèi)。

將計(jì)算后的相位補(bǔ)償值，通過(guò)并行方式傳送給FPGA，由FPGA控制移相器移相，實(shí)現(xiàn)相位的補(bǔ)償。FPGA的控制時(shí)間可以達(dá)到ns級(jí)，類似于開(kāi)關(guān)的速度，可以達(dá)到相位快速轉(zhuǎn)換的目的。

3 相位測(cè)試結(jié)果

某一頻點(diǎn)下，輸入兩路幅度相同的射頻信號(hào)，通過(guò)外部計(jì)算機(jī)控制，線性地改變兩路輸入信號(hào)之間的相位差，測(cè)試不同相位差時(shí)I、Q信號(hào)的變化。實(shí)測(cè)I、Q信號(hào)曲線，如圖3所示。

在信號(hào)輸入口輸入幅度和相位相同的掃頻信號(hào)，10 MHz一個(gè)頻率點(diǎn)，同時(shí)控制本振頻率同步改變，測(cè)試兩個(gè)通道不同信號(hào)頻率下的剩余相差。圖4為通道全頻帶剩余相差的測(cè)試曲線，全頻帶剩余相差在±6°之內(nèi)。根據(jù)測(cè)試，全溫范圍內(nèi)的剩余相差也能滿足系統(tǒng)的測(cè)角測(cè)向精度要求。

圖3 實(shí)測(cè)I、Q信號(hào)曲線

圖4 剩余相差測(cè)試曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過(guò)在雙通道測(cè)向系統(tǒng)的基準(zhǔn)通道放置一個(gè)移相器，由MCU軟件計(jì)算，通過(guò)FPGA控制移相器逐頻點(diǎn)進(jìn)行通道固有相差補(bǔ)償?shù)姆椒?，可以得到很好的測(cè)試結(jié)果，即寬頻帶剩余相差控制在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，同時(shí)固有相差的溫度變化也得到了很好的補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)整個(gè)測(cè)角系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，方向角測(cè)角誤差小于1°，能滿足高精度的測(cè)角測(cè)向要求。

［1］ 趙建民，司錫才．寬頻帶被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的信號(hào)選擇［J］．船工科技，1987，（2）．

［2］ 司錫才，等．寬頻帶反輻射導(dǎo)彈導(dǎo)引頭技術(shù)基礎(chǔ)［M］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1996．

［3］ 顧其凈，等．微波集成電路設(shè)計(jì)［M］．北京：人民郵電出版社，1978．