張　華，袁有宏

（海軍裝備部，北京　100036）

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一種雷達(dá)接收機(jī)幅度和相位一致性改進(jìn)設(shè)計(jì)和檢測(cè)的方法

張華，袁有宏

（海軍裝備部，北京100036）

摘要：在雷達(dá)設(shè)計(jì)初期，考慮接收機(jī)的幅度和相位一致性已成為設(shè)計(jì)師的首選。目前，在設(shè)計(jì)幅度和相位一致性的接收機(jī)系統(tǒng)的檢測(cè)和測(cè)量方面還存在一定的技術(shù)缺陷，不僅需要三分貝橋等微波器件或設(shè)備和特殊的儀器儀表，設(shè)備數(shù)量多，而且工作量大，操作復(fù)雜，給檢測(cè)工作帶來諸多不便。本研究克服了接收機(jī)系統(tǒng)在檢測(cè)方面的技術(shù)缺陷，在接收機(jī)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域涉及幅度和相位一致性的設(shè)計(jì)及檢測(cè)的方法上進(jìn)行了改進(jìn)，以減少設(shè)備數(shù)量、減少工作量為目標(biāo)，進(jìn)而提高檢測(cè)的可操作性。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)；接收機(jī)；幅度；相位

DOI 10.3969/j.issn.1672-6375.2016.05.009

0　引言

在某些雷達(dá)系統(tǒng)的方案論證階段，一般對(duì)組成雷達(dá)的元器件數(shù)量、性能無法完全確定，不可能進(jìn)行精確的估算，但是對(duì)整個(gè)雷達(dá)的性能參數(shù)，諸如作用距離、發(fā)射機(jī)功率、脈沖寬度、天線增益、接收機(jī)噪聲系數(shù)、分辨力等指標(biāo)基本已確定。這其中，接收機(jī)輸出信號(hào)的幅度和相位一致性是我們不得不考慮的問題，而且考慮的越早越好，以避免日后一些不必要的麻煩。通過采用微波移相器或數(shù)字移相器來補(bǔ)償相位誤差，是一種折中方案，雖然并不能完全解決問題，但在設(shè)計(jì)之初就充分考慮，這樣后期補(bǔ)償也能做到有的放矢，能很方便地補(bǔ)償過來。

某些需要關(guān)注幅度和相位一致性的設(shè)計(jì)和檢測(cè)的接收機(jī)系統(tǒng)在測(cè)量上需要三分貝橋等微波器件或設(shè)備和特殊的儀器儀表，設(shè)備數(shù)量多、工作量大、操作復(fù)雜。因此，為了克服接收機(jī)系統(tǒng)在檢測(cè)方面的技術(shù)缺陷，筆者嘗試在接收機(jī)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域涉及幅度和相位一致性的設(shè)計(jì)及檢測(cè)的方法上進(jìn)行改進(jìn)，以減少設(shè)備數(shù)量、減少工作量，進(jìn)而提高檢測(cè)的可操作性。本論述從技術(shù)角度探討涉及幅度和相位一致性的接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和檢測(cè)方法。

1　技術(shù)方案

為了克服已有的技術(shù)缺陷，解決接收機(jī)幅度和相位一致性的設(shè)計(jì)和檢測(cè)問題，提出如下技術(shù)方案（見圖1所示），其基本實(shí)施過程如下：

將信號(hào)源輸出信號(hào)通過三通一分為二輸入到被測(cè)設(shè)備所需測(cè)試的兩個(gè)通路中，被測(cè)設(shè)備的輸出一一對(duì)應(yīng)接入專用匹配負(fù)載盒的兩個(gè)輸入端，匹配負(fù)載盒的輸出分別接至示波器的兩個(gè)輸入端口（見圖2所示）。示波器是帶有相位測(cè)量的示波器，從示波器上可以直接讀出兩個(gè)通路間的幅度差值和相位差值（見圖3所示）。

本方法對(duì)比已有技術(shù)，能夠迅速準(zhǔn)確測(cè)量出每?jī)蓚€(gè)通路間的幅度和相位差值，具有簡(jiǎn)單、直觀的效果。

圖1　測(cè)試連接圖

圖2　匹配負(fù)載盒示意圖

圖3　示波器觀測(cè)幅度和相位一致性波形

此處需要注意的是，微波組件三通（或魔T）在功率分配和隔離度等方面應(yīng)用效果比較好。當(dāng)使用SMA三通（如SMA-KJK）時(shí)，就必須要考慮匹配、駐波等的影響。SMA三通使用在頻率較高的射頻環(huán)境下，它本身帶來的反射是很嚴(yán)重的。三通的反射會(huì)造成兩路輸出功率不一致，甚至造成相位的變化，從而帶來不必要的影響。所以，本系統(tǒng)在射頻部分使用了波導(dǎo)三通（當(dāng)頻率較低時(shí)，可以使用SMA三通，如幾十兆赫茲），但為了做到更好的通道間隔離，在三通通過波同轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過電纜連接到信號(hào)輸入端時(shí)，又在信號(hào)輸入端增加了隔離器，用以消除外界因素造成的幅度和相位變化。當(dāng)然，可以在信號(hào)輸入和輸出端都放置隔離器，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)僅在信號(hào)輸入端增加隔離器就足夠了。

2　系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)要求模塊化、小型化和高可靠性，主要包括：集成前端、主中放、控制電路。集成前端用于放大來自于天線系統(tǒng)的微弱信號(hào)，主要包括低噪放、PIN控制、混頻器等；主中放主要用于放大來自于集成前端的中頻信號(hào)，主要包括閉塞脈沖控制、選通控制、距離靈敏度控制、檢波和視放、驅(qū)動(dòng)和隔離等（見圖5所示）；控制電路主要用于產(chǎn)生自動(dòng)增益控制電壓、產(chǎn)生距離靈敏度控制曲線等，主要包括選通、門限、峰值檢波、隔離放大、輸出等。

說明：集成前端將來自于天線系統(tǒng)的微弱信號(hào)放大、混頻處理后將中頻信號(hào)送至主中放，接收系統(tǒng)信號(hào)走向見圖4所示；

主中放將中頻信號(hào)放大處理后送至處理機(jī)，將視頻信號(hào)送至控制電路用來產(chǎn)生自動(dòng)增益控制電壓，見圖7所示；

控制電路產(chǎn)生自動(dòng)增益控制電壓，分別送至主中放和集成前端。同時(shí)產(chǎn)生距離靈敏度控制曲線送至主中放，產(chǎn)生固定衰減指令送至處理機(jī)，具體見圖8所示；

處理機(jī)將PIN控制脈沖和固定衰減指令送至集成前端，將閉塞脈沖和選通脈沖送至主中放，將距離靈敏度觸發(fā)脈沖送至控制電路。同時(shí)處理主中放輸出的包含有目標(biāo)角誤差信息和距離信息的中頻信息。

設(shè)計(jì)中盡量采用集成電路，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，少使用分立元件。從元器件本身考慮，盡量減少或避免使用影響相位的器件；從各分系統(tǒng)和總體考慮，注意各系統(tǒng)間的耦合、匹配；同時(shí)，還要考慮降額設(shè)計(jì)，容差設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)等。

圖4　接收系統(tǒng)信號(hào)走向框圖

圖5　主中放和控制電路組成

圖6　集成前端原理框圖

圖7　主中放原理框圖

圖8　控制電路自動(dòng)增益控制（AGC）原理框圖

考慮到通道間隔離度、通道間幅相一致性等問題，本系統(tǒng)組裝在屏蔽盒中，每一支路用良導(dǎo)體物理隔離，每一支路印制板基本一致，必要時(shí)支路間相同器件可以配對(duì)使用。

本論述重點(diǎn)討論影響接收機(jī)幅度和相位的因素和處理辦法，以及接收機(jī)幅度和相位的測(cè)量辦法，目的是減少或消除不利因素，提高實(shí)效，減少反復(fù)，每個(gè)分系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)不在本論述的討論范圍內(nèi)，所以在此就不再贅述。

3　具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本方法的實(shí)施方式做詳細(xì)說明。

其具體步驟包括：

步驟一，按本論述圖1連接各設(shè)備。

步驟二，電纜A與電纜A1、電纜B與電纜B1、電纜C與電纜C1應(yīng)該分別等長(zhǎng)，而且對(duì)應(yīng)接頭應(yīng)該用SMA等接插件可靠連接。

步驟三，匹配負(fù)載盒應(yīng)該做成與實(shí)際負(fù)載相同的形式，這樣可以減少測(cè)量誤差。

步驟四，測(cè)量，對(duì)于多個(gè)通道而言，首先先選擇一個(gè)基準(zhǔn)通道，再拿其余通道和基準(zhǔn)通道分別比較，測(cè)量出幅度差值和相位差值。比如和通道與俯仰通道的幅度差值和相位差值，和通道與方位通道的幅度差值和相位差值，此時(shí)和通道為基準(zhǔn)通道。

步驟五，改變信號(hào)源頻率，在整個(gè)信號(hào)帶寬內(nèi)，測(cè)量需要的幅度差值和相位差值。

自此，就完成了幅度和相位一致性的測(cè)量。

4　實(shí)施案例

步驟一，按圖9連接各設(shè)備和儀表。

圖9　被測(cè)設(shè)備連接示意圖

圖10　實(shí)測(cè)例匹配負(fù)載示意圖

步驟二，測(cè)量，記錄。

步驟三，改變信號(hào)源頻率，在整個(gè)信號(hào)帶寬內(nèi)，測(cè)量需要的幅度差值和相位差值，記錄。

步驟四，改變信號(hào)源功率，在整個(gè)信號(hào)帶寬內(nèi)，測(cè)量需要的幅度差值和相位差值，記錄。

步驟五，改變一個(gè)通道，重復(fù)步驟一，步驟二，步驟三。

步驟六，測(cè)量完成。記錄見表1。

表1　測(cè)試記錄

說明：此方法在整機(jī)或分系統(tǒng)實(shí)施檢測(cè)，都比較方便。在整機(jī)上測(cè)試時(shí)，要求被測(cè)試設(shè)備（中頻輸出）留有專門測(cè)試接口，并要保證匹配負(fù)載與實(shí)際負(fù)載一致時(shí)，才能保證測(cè)試結(jié)果真實(shí)可靠，見圖10所示。

電纜的長(zhǎng)度對(duì)相位有直接影響，當(dāng)然也可以通過改變測(cè)試電纜的長(zhǎng)度來調(diào)整相位差值。此處電纜的長(zhǎng)度對(duì)幅度的影響忽略不計(jì)。

通道間產(chǎn)生的幅度差，可以通過調(diào)整通道增益來彌補(bǔ)。通道間產(chǎn)生的相位差，可以通過調(diào)整微波移相器或數(shù)字移相器來補(bǔ)償。

在一些條件限制的測(cè)試環(huán)境下，如果沒有可以直接測(cè)量相位的示波器或其他專門測(cè)量相位的儀表。我們可以采用圖6所示的方法加以測(cè)試。從圖中可以知道周期（兩個(gè)回波的周期是一致的），通過示波器也可讀出兩個(gè)回波的相對(duì)時(shí)延，這樣就可以計(jì)算出相對(duì)相位的值。比如圖11中：測(cè)得周期為200 ms，相對(duì)延時(shí)為10 ms。因?yàn)橐粋€(gè)周期相位為3 600。由此就可以得出：當(dāng)相對(duì)時(shí)延為10 ms時(shí)，相對(duì)相位值就為：3 600/200*10= 180。

圖11　相位測(cè)量方法

作者簡(jiǎn)介：張華（1977-），男，漢族，山東萊蕪人，大學(xué)本科，工程師，主要從事雷達(dá)工作。

收稿日期：2016- 3- 9

中圖分類號(hào)：TN957

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A