高温超导压缩EW接收机的设计与实现

尹升诚，吴 健

(中国电子科技集团公司第五十一研究所，上海 201802)



高温超导压缩EW接收机的设计与实现

尹升诚，吴 健

(中国电子科技集团公司第五十一研究所，上海 201802)

随着信息技术的发展，未来战场电磁环境越来越复杂，为了满足未来战场对雷达信号的接收和处理需求，设计了一种基于高温超导滤波器的电子战(EW)接收机，对高温超导压缩EW接收机的频谱分析功能进行了原理分析，根据原理分析结果给出了EW接收机完整设计方案，对该设计方案进行了主要性能的分析。通过系统测试对设计方案的可行性进行了验证，结果表明该接收机在实时处理、带宽扩展、灵敏度提升等方面较传统接收机优势明显。

电子战；高温超导滤波器；压缩接收机

0 引 言

在电子战系统中，接收机被用来侦收敌方雷达信号，并对敌雷达辐射源信号进行分析和识别。目前接收机主要有晶体视频、瞬时测频、超外差或直接模/数(A/D)变换数字处理等几种体制。随着信息技术和电子技术的迅猛发展，未来战场电磁环境越来越复杂，对用于电子战的接收机也提出了更高的要求，它要求接收机能实时、宽频带、高灵敏、高动态范围接收处理战场密集重叠的信号环境，给出实时频谱分析和参数测量。基于上述背景研究了一种超导压缩电子战接收机，在分析超导压缩接收机工作原理的基础上，给出了接收机完整设计方案，最后通过系统测试对设计方案的可行性和先进性进行了验证[1]。

1 超导压缩接收机工作原理

超导压缩接收机的基本原理是采用高温超导滤波器把输入射频信号压缩成一窄脉冲。也可把它称为“微扫接收机”，那是因为这类接收机采用了快速扫频本振，把输入信号转换成线性调频信号，采用超导滤波器完成对输入信号的傅里叶变换，它可使同时到达的信号在时域上分离开，从而测量每个输入信号的频率。由于检测的压缩脉冲非常窄,而且在时域上又靠得很紧，因此，要用高速逻辑电路来处理。对压缩接收机的研制，主要集中在高温超导滤波器、微扫源和高速数字电路处理器(得出输入信号的脉冲描述字)[2]上。图1给出了压缩接收机基本原理框图。

在图1中，当接收机输入信号(脉冲或连续波)后，由混频器的输出加到超导滤波器的信号为一线性调频信号，可以表示为：

(1)

式中：ω0为超导滤波器的中心角频率；t为时间；u为扫频速率，u=2πB1/T。

为了便于数学运算，式(1)可以写成指数形式：

(2)

超导滤波器的转换函数可以表示为：

(3)

超导滤波器的频域输出：

G(ω)=H(ω)S(ω)

(4)

式中：S(ω)为式(2)中S(t)的傅里叶变换，有：

(5)

式中:ω为角频率。

超导滤波器的时域输出是把式(4)的G(ω)做傅里叶逆变换：

(6)

将式(2)～式(5)代入到式(6)，得到:

(7)

式中:w(τ)表示加权函数的作用。

然而，加权滤波器也可写作时间的函数。因为混频器把一个连续波(脉冲)信号变换为一线性调频信号[3]。其中，频率与时间成正比关系。可以把式(7)的积分重新表示为：

(8)

式(8)中的H(ω)用式(3)来替换，则积分式可写作：

(9)

对式(9)作进一步的变换可得：

(10)

已知：

exp(jx)=cosx+jsinx

(11)

(12)

对式(10)的积分求解，并得结果为：

(13)

把式(13)代入式(8)，可得：

(14)

式中:τ为哑变量。

输出信号的幅度可用函数的积分得到，如下式所示：

(15)

式(15)表示从超导滤波器输出的幅度是权函数的傅里叶变换。对于不加权信号，W(τ)=1，R(t)的积分表示为：

(16)

R(t)是-sinc函数和延迟时间T之积。假如这一输出被对数视频检波器检出，其输出会有许多旁瓣。

2 超导压缩接收机设计

在分析超导压缩接收机工作原理的基础上，完成了超导压缩接收机的设计，超导压缩接收机总体框图如图2所示。

在图2中，外部接收到的信号经低噪声放大后下变频至高中频，然后进入混频器，同扫频源输出的扫频信号进行混频，混频后信号进入高温超导滤波器形成时域的射频压缩脉冲，经放大和滤波后送到90°电桥，形成正交的I路和Q路信号。2路正交信号经A/D采样后形成数字信号，数字信号送到现场可编程门阵列(FPGA)中进行预处理及参数测量，形成脉冲描述字(PDW)，PDW数据送到主机进行处理后显示。

系统组成模块包括：

(1) 微波模块

微波模块主要完成射频信号的放大、变频、混频等功能。输入雷达射频信号，输出正交的压缩脉冲调制信号。

(2) 数据采集及处理模块

数据采集及处理模块主要完成正交脉压调制信号的包络形成、检波、频率测量、到达时间测量、幅度测量,最终形成脉冲描述字。该模块同时还可以缓存采集的原始数据并通过PCI总线传送到主机进行更精细的分析和处理。

(3) 信号分选和信号跟踪模块

信号分选和信号跟踪模块接收数据采集处理模块传送的PDW数据，进行信号的分选和跟踪。

(4) 主机

接收信号分选结果，对分选结果进行编批等处理,并通过PCI总线接收数据采集处理模块缓存的原始数据进行精细分析和处理。

3 超导压缩接收器性能分析

下面将对压缩接收机的3个主要性能指标进行分析，压缩接收机的3个主要性能指标包括灵敏度、动态和频率分辨率[4]。

(1) 灵敏度分析

(17)

HTS色散延迟时间为td， 压缩接收机压缩时间带宽积，BItd=2×109×100×10-9=200，Ps1=10lg(1.38×10-23×77×2×109)+15-10lg(2×109×100×10-9)=-94.7 dBm。

(2) 动态范围分析

考虑在压缩接收机加入信号，在其输出端的压缩脉冲会出现许多旁瓣电平，其最大旁瓣电平为-13.5 dB，从而使不加权处理的压缩接收机动态范围被限制在13 dB，这不适合电子战环境中应用。

提高动态范围的方法是选择一窗函数对输入信号作加权处理。由于电子战的信号环境，输入信号的结构形式是未知的，故要选择一个与输入信号相匹配的方形窗口是做不到的。例如,要选择一个与输入信号周期一致的时间窗口的可能性极小。因此，常常可以设计多种特殊窗口函数来对输入信号加权，这种特殊窗口函数通常在窗内采集到的信号前、后沿衰减大，而在中心衰减很小，从而降低了输出脉冲的旁瓣[5]。常用的窗口函数是a阶滚降的余弦函数：

(18)

若a=2，将式(18)代入式(15)，由它产生的旁瓣电平可为-32 dB；而若选用a=0.54时，由它产生的旁瓣电平为-43 dB。还有一种可采用的加权窗口函数是高斯窗：

(19)

选用这种加权方式的好处是：在时域中的高斯函数，其傅里叶变换在频域也是一个高斯函数。因此，在理论上讲，高斯加权的输出不应该有旁瓣出现。但是，因为在实际应用中，高斯窗口必须要截尾到一特定长度，才会出现旁瓣，其输出最大旁瓣将优化到-69 dB。

虽然加权窗口函数的设计将有效降低压缩接收机在超导滤波器输出的压缩脉冲的旁瓣电平，从而可提高压缩接收机的动态范围；但是也加宽了主瓣，造成对压缩脉冲在时域位置的测量精度下降，即要降低测频精度：所以，设计选用加权方案时要有折衷。

(3) 频率分辨率分析

扫频源必须与超导滤波器的频率随时间的斜率相匹配。扫频速率为：

(20)

假如接收机输入瞬时带宽要求是BR，则扫频带宽为:

BT=BR+BI

(21)

因此，总的扫频时间周期为：

(22)

接收机的分辨率Δf由压缩脉冲主瓣宽度决定。也就是讲，延迟时间越长，主瓣宽带越窄，接收机能得到更精细的频率分辨率。频率分辨率的一种简单表示方法为:

(23)

式中:k为一比例常数，对汉明加权滤波器，k=1.33。

在超导滤波器延迟时间为100 ns的情况下频率分辨率近似为13.3 MHz。

4 主要测试结果

(1) 扫频源

线性扫频本振源是压缩接收机中的一个重要组成部分。它与一般本振源的区别是：它的输出频率是在一段时间内从某个频率线性变化到另一个频率后又再次回到起始频率，继而进行周而复始的扫频输出。当一个单频信号与微扫源混频，混频后的输出就会变成一个周期性的线性调频信号。当这个线性调频信号通过一个相匹配的调频滤波器时，就会输出一个脉宽很窄的压缩脉冲[6-7]。

在试验中，微扫源的扫描周期很短，为100 ns，在这短短的100 ns内却要扫频宽度达到2 GHz，对器件和设计的难度还是很大的。图3为采用100 Gsps示波器采集到的扫频斜率曲线。图4为输入信号同微扫源混频后输出的扫频信号。

(2) 超导滤波器输出压缩脉冲

图5、图6是输入信号经过超导滤波器后输出的压缩脉冲信号。

5 结束语

本文对超导压缩接收机进行了原理分析，并在此基础上提出了一种压缩接收机的设计方案，通过试验结果验证了设计方案的可行性。试验中采用超导滤波器作为信号处理的核心器件，同传统的数字信号处理算法相比具有以下的优势：

处理时间极短，超导滤波器在几十纳秒量级即完成了信号时域到频域的转换。常规数字信号处理一般需要2 000 ns左右才能完成信号从时域到频域的转换运算。

对同时到达信号，信号的频率分辨率主要取决于压缩脉冲的主瓣宽度，同时到达信号之间的相互影响比较小。数字信道化接收机频率分辨率则取决于信道宽度，同时到达信号之间的影响比较大。

相同中频带宽的情况下，接收机灵敏度主要取决于超导滤波器的工作温度以及系统的时宽带宽积，目前超导滤波器的工作温度控制技术比较成熟，大的时宽带宽积的滤波器也能够实现，比较容易实现-90 dBm的灵敏度。传统的数字接收机灵敏度取决于最小处理带宽和输入信噪比，一般情况下可以实现灵敏度-76 dBm左右。

超导滤波器的性能直接影响接收机的性能，目前由于技术水平的限制，在中频比较高(大于10 GHz)、压缩带宽大于2 GHz的情况下，器件性能很难得到保证，这也在一定程度上影响了压缩接收机的广泛使用。随着器件水平的不断发展，超导压缩接收机在很大程度上会取代传统接收机。

[1] 何艾生，黎红，何豫生,等.超导滤波器、超导卫星接收机和超导气象雷达的研究进展[J].物理，2006，36(7)：486-492.

[2] 张其劭,罗正祥，羊恺，等.高灵敏度高温超导接收机前端[J].低温物理学报，2003(S0):576-583.

[3] 殷旭东,王伟,陈曾平.压缩接收机及其在电子战中的应用[J].舰船电子对抗，2005(4):11-15.

[4] 史跃跃.高性能宽带压缩接收机前端的研究[D].成都：电子科技大学，2011.

[5] 王建.压縮接收机的关键技术研究[D].南京:南京理工大学，2013.

[6] 补世荣,羊恺,罗正祥.复杂耦合超导滤波器[J].电子科技大学学报，2003(4):20-25.

[7] 季来运.高温超导滤波器系统及其应用[J].电子产品世界，2008(2):23-28.

DesignandRealizationofHTSCompressiveEWReceiver

YIN Sheng-cheng,WU Jian
(51st Research Institute of CETC,Shanghai 201802,China)

With the development of information technology,the future battlefield electromagnetic environment will become more and more complex,in order to meet the receiving and processing requirements of future battlefield to radar signal,this paper designs an electronic warfare (EW) receiver based on high-temperature superconducting (HTS) filter,performs principle analysis to the spectrum analysis function of HTS compressive EW receiver,presents full design plan of EW receiver according to the principle analysis results,analyzes the main performance of this design plan,validates the feasibility of design plan through system test.Results show that the receiver has obvious advantages in the aspects of real-time processing,bandwidth expansion and sensitivity improvement,etc.than traditional receivers.

electronic warfare;high-temperature superconducting filter;compressed receiver

2017-04-28

TN851

：A

：CN32-1413(2017)03-0078-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.019