宽带大动态瞬时测频接收机的设计与实现

张学成

(船舶重工集团公司723所,扬州 225001)

0 引 言

现代雷达侦察系统面临着密集、复杂和捷变的电子信号环境,它必须全频段、全方位、实时、准确、高分辨地测量雷达信号的各项参数,并进行分选、分析和识别。对雷达载频的测量是其中一项十分重要的内容。在各种体制的测频接收机中,瞬时测频接收机具有宽开(多个倍频程)的瞬时频率覆盖、100%的截获概率、较高的分辨率和测频能力以及适中的结构复杂程度和造价。

在国外,这种技术已经成熟并作为一种模块或部件广泛用于各种电子战设备中,在国内也得到了广泛的应用。随着技术的进步,对瞬时测频指标的要求也不断提高。因此,高性能、小型的标准化通用瞬时测频模块是当前的主要需求。本文介绍了频段为2～18 GHz、灵敏度≤-60 dBm、动态范围≥70 dBm的瞬时测频接收机的设计与实现。

1 实现方法

实现瞬时测频有几种技术途径,只要能瞬时(单脉冲)给出输入射频(RF)信号的数字频率代码,均可称为数字瞬时测频。这里所说的是数字式多通道延迟线鉴频体制的瞬时测频技术,它建立在相位干涉原理之上,所采用的自相关技术是波的干涉原理的一种具体应用。

瞬时测频的核心部件是微波鉴相器,它由功分器、延迟线、3 dB 90°电桥、平方律检波器组成。采用单个鉴相器的瞬时测频分辨率有限,量化最多可达6位,则平均测频分辨率为△f/64。为保证测频精度,避免出现测频模糊,对延迟线和相关器的相位精度及系统的信噪比要求也很高。

实际采用的实施方法如图1所示。这是一个五通道混合延迟线长度比的测频方法。5个通道的延迟线长度分别为 τ,2τ,8τ,32τ,128τ。延迟线长度比例为1∶2∶4∶4∶4,相应的瞬时测频系统为5个通道,最长延时线通道(128τ)决定了分辨率,最短延时线通道(τ)决定了不模糊带宽,其中最长延时线线通道进行6 bit编码,最短延时线通道进行1 bit编码,其余通道进行2 bit编码,总共13 bit编码,频率分辨率2 MHz。采用两级限幅放大器,增益大于80 dBm,在限幅放大器后加设滤波器用于滤除带外信号。由于频带宽、灵敏度高、动态范围大,所以带内平坦度较差,在滤波器后加设1个斜率校正器用以改善带内平坦度。

图1 瞬时测频接收机方框图

2 主要部件设计

2.1 宽带功分器

采用了宽频带耦合带状线型2路等相、等功率功分器的理论设计,通过计算机辅助设计,编制了优化程序,使其性能最优。结构上采用三层带状线结构,上下介质层及中间电路板全部采用进口的高性能RT/DUROID 5880材料,在不影响性能的基础上,尽可能在体积上进行压缩,研制成功了 2～18 GHz频段的小型化功分器组。该器件有良好的输入输出驻波比(＜1.8)、良好的平分度(＜±0.5 dB)、较高的隔离度(＞15 dB)。

2.2 宽带相关器

在研制成功的宽带3 dB桥及功分器的基础上,采用3个3 dB桥及1个功分器,拼成1个相关器。采用双面电路做在1片厚0.127 mm的基片上,仍采用三层带状线结构。设计过程中也采用了计算机辅助设计,在不影响电性能的基础上将体积进行压缩。最终用Agilent E8362B矢量网络分析仪测出相关器的相位误差(＜±10°),输出臂的平分度(＜±1 dB),输入、输出驻波比 (＜1.8),满足测频接收机的编码体制、校码的相位误差要求。

2.3 宽带检波器

采用微带电路设计,将电路做在6 mm×4 mm×0.3 mm的AL2O3陶瓷基片上,并焊上检波二极管(低势垒肖特基二级管)管芯,工作带宽为50 MHz～20 GHz,输入驻波比＜2,低电平电压灵敏度＞0.4 mV/μ W。

2.4 视放和移相量化电路

雷达载波信号经微波鉴频器输出4路信号:1+sinθ、1-sinθ、1+cosθ、1-cosθ,由视频差分运算放大器进行差分放大,使之变成完全正交的 sinθ、-sinθ、cosθ、-cosθ4 路信号 。通过调整增益电位器,使4路输出信号幅度归一化。这4路信号通过电阻环网络进行信号移相,根据编码需要输出1组移相信号,再通过高速比较器进行量化,形成编码。

2.5 门限电路

瞬时测频的工作时序由内部门限电路控制,选用次精通道相关器输出与固定电平相比较产生视频门限信号VIDEO PULSE,此视频门限信号为整机工作的时间基准。接收正常脉冲信号时,VIDEO PULSE经适当延时,锁存量化电路产生的相位码,频率编码电路根据相位码编出频率码,同时给出相应的标志信号。若信号的脉冲宽度大于500 μ s,给出连续波标志;同时,瞬时测频接收机每隔1 ms给出当前频率码和相应标志信号。若调频信号标志(FM_EN)有效,则接收机门限电路每隔500 ns给出当前信号采样的频率码和相应标志信号。

2.6 温度校码电路

延时线的相位随温度变化比较大,是影响测频精度的主要因素。将延时线置于恒温环境中可以解决这个问题,但由于恒温方式占用体积大、功耗高、需要预热等缺点,决定采用实时查表校正法。实时查表校正法是在整个工作温度范围内建立校表,利用测试软件对瞬时测频接收机进行快速测试,通过计算误差曲线得出校正表,用温度和频率作为地址查表补偿,使测频接收机在不同的环境温度下保证很好的测频精度。

3 性能测试

利用自动测试系统在常温下进行测试,测得的数据如图2～图5所示。

功率为-60 dBm、脉宽为50 ns时测试数据曲线如图2所示。

图2 功率-60 dBm、脉宽 50 ns时的测试数据曲线

功率为-60 dBm、脉宽为连续波时的测试数据曲线如图3所示。

图3 功率-60 dBm、脉宽为连续波时的测试数据曲线

功率为10 dBm、脉宽为50 ns时的测试数据曲线如图4所示。

图4 功率 10 dBm、脉宽50 ns时的测试数据曲线

功率为10 dBm、脉宽为连续波时的测试数据曲线如图5所示。

图5 功率10 dBm、脉宽为连续波时的测试数据曲线

从以上数据可以看出,在-60～+10 dBm动态范围内,脉宽50 ns～连续波的2～18 GHz信号可以保证很好的测频精度。

最终完成的测频接收机性能指标为:频段:2～18 GHz;脉冲宽度:50 ns～连续波;输入功率:-60 dBm～+10 dBm;测频时间≤200 ns;均方根误差≤3.5 MHz。

另外,该测频接收机具有结构简单合理、体积小、重量轻等特点。

4 结束语

这种宽带大动态瞬时测频接收机技术先进,在实际工作中稳定可靠,使用维修方便,其性能指标和环境适应性能够满足多种平台的要求,处于国内领先水平,应用前景广阔。

[1]朱畅,冯起,袁乃昌.新型定向耦合器在DIFM中的应用[J].现代雷达,2006(2):60-63.

[2]刘隆和,应朝龙,姜永华.瞬时测频技术及其应用[J].国外电子测量技术,1998(3):8-10.

[3]林象平.雷达对抗原理[M].西安:西北电讯工程学院,1986.