寬帶大動態瞬時測頻接收機的設計與實現

張學成

(船舶重工集團公司723所,揚州 225001)

0 引 言

現代雷達偵察系統面臨著密集、復雜和捷變的電子信號環境,它必須全頻段、全方位、實時、準確、高分辨地測量雷達信號的各項參數,并進行分選、分析和識別。對雷達載頻的測量是其中一項十分重要的內容。在各種體制的測頻接收機中,瞬時測頻接收機具有寬開(多個倍頻程)的瞬時頻率覆蓋、100%的截獲概率、較高的分辨率和測頻能力以及適中的結構復雜程度和造價。

在國外,這種技術已經成熟并作為一種模塊或部件廣泛用于各種電子戰設備中,在國內也得到了廣泛的應用。隨著技術的進步,對瞬時測頻指標的要求也不斷提高。因此,高性能、小型的標準化通用瞬時測頻模塊是當前的主要需求。本文介紹了頻段為2～18 GHz、靈敏度≤-60 dBm、動態范圍≥70 dBm的瞬時測頻接收機的設計與實現。

1 實現方法

實現瞬時測頻有幾種技術途徑,只要能瞬時(單脈沖)給出輸入射頻(RF)信號的數字頻率代碼,均可稱為數字瞬時測頻。這里所說的是數字式多通道延遲線鑒頻體制的瞬時測頻技術,它建立在相位干涉原理之上,所采用的自相關技術是波的干涉原理的一種具體應用。

瞬時測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。采用單個鑒相器的瞬時測頻分辨率有限,量化最多可達6位,則平均測頻分辨率為△f/64。為保證測頻精度,避免出現測頻模糊,對延遲線和相關器的相位精度及系統的信噪比要求也很高。

實際采用的實施方法如圖1所示。這是一個五通道混合延遲線長度比的測頻方法。5個通道的延遲線長度分別為 τ,2τ,8τ,32τ,128τ。延遲線長度比例為1∶2∶4∶4∶4,相應的瞬時測頻系統為5個通道,最長延時線通道(128τ)決定了分辨率,最短延時線通道(τ)決定了不模糊帶寬,其中最長延時線線通道進行6 bit編碼,最短延時線通道進行1 bit編碼,其余通道進行2 bit編碼,總共13 bit編碼,頻率分辨率2 MHz。采用兩級限幅放大器,增益大于80 dBm,在限幅放大器后加設濾波器用于濾除帶外信號。由于頻帶寬、靈敏度高、動態范圍大,所以帶內平坦度較差,在濾波器后加設1個斜率校正器用以改善帶內平坦度。

圖1 瞬時測頻接收機方框圖

2 主要部件設計

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計,通過計算機輔助設計,編制了優化程序,使其性能最優。結構上采用三層帶狀線結構,上下介質層及中間電路板全部采用進口的高性能RT/DUROID 5880材料,在不影響性能的基礎上,盡可能在體積上進行壓縮,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 寬帶相關器

在研制成功的寬帶3 dB橋及功分器的基礎上,采用3個3 dB橋及1個功分器,拼成1個相關器。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構。設計過程中也采用了計算機輔助設計,在不影響電性能的基礎上將體積進行壓縮。最終用Agilent E8362B矢量網絡分析儀測出相關器的相位誤差(＜±10°),輸出臂的平分度(＜±1 dB),輸入、輸出駐波比 (＜1.8),滿足測頻接收機的編碼體制、校碼的相位誤差要求。

2.3 寬帶檢波器

采用微帶電路設計,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(低勢壘肖特基二級管)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

雷達載波信號經微波鑒頻器輸出4路信號:1+sinθ、1-sinθ、1+cosθ、1-cosθ,由視頻差分運算放大器進行差分放大,使之變成完全正交的 sinθ、-sinθ、cosθ、-cosθ4 路信號 。通過調整增益電位器,使4路輸出信號幅度歸一化。這4路信號通過電阻環網絡進行信號移相,根據編碼需要輸出1組移相信號,再通過高速比較器進行量化,形成編碼。

2.5 門限電路

瞬時測頻的工作時序由內部門限電路控制,選用次精通道相關器輸出與固定電平相比較產生視頻門限信號VIDEO PULSE,此視頻門限信號為整機工作的時間基準。接收正常脈沖信號時,VIDEO PULSE經適當延時,鎖存量化電路產生的相位碼,頻率編碼電路根據相位碼編出頻率碼,同時給出相應的標志信號。若信號的脈沖寬度大于500 μ s,給出連續波標志;同時,瞬時測頻接收機每隔1 ms給出當前頻率碼和相應標志信號。若調頻信號標志(FM_EN)有效,則接收機門限電路每隔500 ns給出當前信號采樣的頻率碼和相應標志信號。

2.6 溫度校碼電路

延時線的相位隨溫度變化比較大,是影響測頻精度的主要因素。將延時線置于恒溫環境中可以解決這個問題,但由于恒溫方式占用體積大、功耗高、需要預熱等缺點,決定采用實時查表校正法。實時查表校正法是在整個工作溫度范圍內建立校表,利用測試軟件對瞬時測頻接收機進行快速測試,通過計算誤差曲線得出校正表,用溫度和頻率作為地址查表補償,使測頻接收機在不同的環境溫度下保證很好的測頻精度。

3 性能測試

利用自動測試系統在常溫下進行測試,測得的數據如圖2～圖5所示。

功率為-60 dBm、脈寬為50 ns時測試數據曲線如圖2所示。

圖2 功率-60 dBm、脈寬 50 ns時的測試數據曲線

功率為-60 dBm、脈寬為連續波時的測試數據曲線如圖3所示。

圖3 功率-60 dBm、脈寬為連續波時的測試數據曲線

功率為10 dBm、脈寬為50 ns時的測試數據曲線如圖4所示。

圖4 功率 10 dBm、脈寬50 ns時的測試數據曲線

功率為10 dBm、脈寬為連續波時的測試數據曲線如圖5所示。

圖5 功率10 dBm、脈寬為連續波時的測試數據曲線

從以上數據可以看出,在-60～+10 dBm動態范圍內,脈寬50 ns～連續波的2～18 GHz信號可以保證很好的測頻精度。

最終完成的測頻接收機性能指標為:頻段:2～18 GHz;脈沖寬度:50 ns～連續波;輸入功率:-60 dBm～+10 dBm;測頻時間≤200 ns;均方根誤差≤3.5 MHz。

另外,該測頻接收機具有結構簡單合理、體積小、重量輕等特點。

4 結束語

這種寬帶大動態瞬時測頻接收機技術先進,在實際工作中穩定可靠,使用維修方便,其性能指標和環境適應性能夠滿足多種平臺的要求,處于國內領先水平,應用前景廣闊。

[1]朱暢,馮起,袁乃昌.新型定向耦合器在DIFM中的應用[J].現代雷達,2006(2):60-63.

[2]劉隆和,應朝龍,姜永華.瞬時測頻技術及其應用[J].國外電子測量技術,1998(3):8-10.

[3]林象平.雷達對抗原理[M].西安:西北電訊工程學院,1986.