全固態(tài)數(shù)字化脈沖相參應(yīng)答機(jī)的設(shè)計(jì)

范義平

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

脈沖應(yīng)答機(jī)安裝于運(yùn)載火箭或?qū)棥⑿l(wèi)星等飛行器上,配合地面脈沖雷達(dá)對(duì)飛行器進(jìn)行精密跟蹤和軌道測(cè)量,要求具有較高的測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,目前脈沖應(yīng)答機(jī)的頻譜純度[1]和相參性技術(shù)已有了很大提高,在此基礎(chǔ)上,采用全數(shù)字時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)、時(shí)延補(bǔ)償技術(shù),可將測(cè)距精度和測(cè)速精度提高一個(gè)量級(jí)以上,可滿足測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性要求。

作為地面脈沖雷達(dá)的合作目標(biāo),隨著雷達(dá)跟蹤距離的不同,接收來(lái)自地面脈沖雷達(dá)的強(qiáng)弱不同電平的詢問(wèn)信號(hào),經(jīng)延時(shí)、功率放大后進(jìn)行相參轉(zhuǎn)發(fā),既增加了雷達(dá)的作用距離,又提高了地面脈沖雷達(dá)接收信號(hào)的信噪比和脈沖雷達(dá)的測(cè)量精度,不僅可以用于靶場(chǎng)主動(dòng)段測(cè)量,也適用于落區(qū)測(cè)量[2]。

本文提出了全固態(tài)數(shù)字化脈沖相參應(yīng)答機(jī)的設(shè)計(jì)思路:采用中頻數(shù)字化架構(gòu)設(shè)計(jì);單片中頻對(duì)數(shù)放大器在脈沖體制下大動(dòng)態(tài)、高增益性能的應(yīng)用;利用數(shù)字平臺(tái)進(jìn)行電平大動(dòng)態(tài)變化的時(shí)延補(bǔ)償;利用大功率場(chǎng)效應(yīng)雙管功率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的百瓦級(jí)脈沖功率輸出;解決多徑效應(yīng)引起的多脈沖損壞應(yīng)答機(jī)的難題。

2 全固態(tài)數(shù)字化脈沖相參應(yīng)答機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

總的概括為“方案沿用,方法革新”。方案設(shè)計(jì)沿用傳統(tǒng)脈沖相參應(yīng)答機(jī)頻率流程關(guān)系,避免出現(xiàn)新的電磁兼容問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)方法上用數(shù)字信號(hào)處理取代模擬電路;取消磁控管,同時(shí)也取消磁控管高壓調(diào)制電路,避免氣密和體積問(wèn)題;采用固態(tài)功放作為末級(jí)輸出;增加輸入信號(hào)判別,防止多徑效應(yīng)損傷應(yīng)答機(jī)。

2.2 總體方案

脈沖應(yīng)答機(jī)屬于典型的收發(fā)同頻工作模式,頻率設(shè)計(jì)主要考慮本振連續(xù)波信號(hào)不能對(duì)接收信道造成干擾、中頻頻率適合信號(hào)處理等,在本機(jī)設(shè)計(jì)中我們繼續(xù)沿用經(jīng)過(guò)工程驗(yàn)證成熟的應(yīng)答機(jī)頻率關(guān)系,可以避免系統(tǒng)電磁兼容性等諸多問(wèn)題。

全固態(tài)數(shù)字化脈沖相參應(yīng)答機(jī)原理框圖如圖1所示。

圖1 全固態(tài)數(shù)字化脈沖相參應(yīng)答機(jī)原理框圖Fig.1 The functional diagram of solid state digital pulse coherent transponder

全固態(tài)數(shù)字化脈沖相參應(yīng)答機(jī)通過(guò)天線接收脈沖雷達(dá)上行信號(hào),由饋線送至接收通道,經(jīng)中、視頻處理電路和終端信號(hào)處理電路后送發(fā)射通道,與本振信號(hào)混頻得到與接收信號(hào)同頻的轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào),該信號(hào)經(jīng)大功率固態(tài)微波FET脈沖功放進(jìn)行放大,輸出百瓦級(jí)的射頻脈沖功率,由天線輻射到空間。

2.3 應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)相參性設(shè)計(jì)

脈沖應(yīng)答機(jī)收發(fā)同頻、分時(shí)復(fù)用,接收信號(hào)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延遲后發(fā)射,由于上下混頻采用公用本振,從體制上可以保證收發(fā)信號(hào)的相參性,這是經(jīng)過(guò)幾代產(chǎn)品大量使用反復(fù)驗(yàn)證的。

全固態(tài)數(shù)字化脈沖相參應(yīng)答機(jī)的基本頻率流程不變,仍保持上下混頻公用本振;在數(shù)字化中頻信號(hào)處理部分,對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)的相參性進(jìn)行專題驗(yàn)證。

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)字信號(hào)處理原理框圖如圖2所示,由A/D變換器、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)及控制電路產(chǎn)生器、D/A變換器以及采樣時(shí)鐘組成。

圖2 數(shù)字存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)原理框圖Fig.2 The functional diagram of digital store and forward technique

設(shè)輸入信號(hào)為正弦信號(hào)為

其中,ωi為信號(hào)處理器輸入載波信號(hào)角頻率,θo為初始相位。

A/D變換器輸出的數(shù)字波形表達(dá)式為

其中,采樣值間的相位增量為 ωiΔtsi=ωifsi,fsi為A/D變換器采樣頻率。

經(jīng)過(guò)延時(shí)時(shí)間τ后,輸出的數(shù)字波形表達(dá)式為

其中,ωiτ為固定相移值,k=1,2,3,…。當(dāng)D/A變換器以時(shí)鐘fso對(duì)存儲(chǔ)數(shù)字波形進(jìn)行重構(gòu),重構(gòu)信號(hào)角頻率為

當(dāng)A/D和D/A的時(shí)鐘頻率 fso=fsi時(shí),則 ωd=ωi。D/A變換器輸出的重構(gòu)波形表達(dá)式為

由此可知:當(dāng)A/D和D/A的時(shí)鐘頻率相同時(shí),信號(hào)處理器輸出中頻信號(hào)頻率與中頻輸入信號(hào)頻率相同,相位相差一個(gè)固定值 ωiτ,應(yīng)答機(jī)能夠完成相參轉(zhuǎn)發(fā)[3]。

2.4 應(yīng)答機(jī)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

(1)應(yīng)答機(jī)內(nèi)單片中頻對(duì)數(shù)放大器在脈沖體制下大動(dòng)態(tài)、高增益性能的使用

該問(wèn)題的難點(diǎn)在于:在小面積印制板上要實(shí)現(xiàn)大于60 dB增益的信號(hào)放大,關(guān)鍵是排版和布局。通過(guò)屢次學(xué)習(xí)先進(jìn)的排版和布局方法、建立信號(hào)線屏蔽墻、結(jié)構(gòu)信號(hào)隔離、多次試驗(yàn)嘗試等措施,最終獲得了較高的信號(hào)質(zhì)量。

(2)利用數(shù)字平臺(tái)進(jìn)行電平大動(dòng)態(tài)變化的時(shí)延補(bǔ)償問(wèn)題

利用輸入信號(hào)電平與檢波脈沖幅度之間的線性關(guān)系,建立整機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)脈沖延時(shí)表。

方法概述為:將檢波脈沖進(jìn)行A/D采樣,在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)查找表,根據(jù)A/D采樣的數(shù)字幅度,查詢延時(shí)的變化量;查找表的深度根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)精度的要求設(shè)定。A/D采樣速率只需要大于10/脈寬即可,有效位數(shù)根據(jù)脈沖幅度的變化情況選擇,脈沖幅度的變化情況可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況得出。具體的實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 時(shí)延補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)框圖Fig.3 The implementation block diagram of time delay compensation

通過(guò)以上分析以及實(shí)踐證明,信號(hào)處理補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)靈活,控制時(shí)延精度高(相對(duì)延時(shí)精度小于等于5%),穩(wěn)定性好(延變化小于20 ns),可生產(chǎn)性好。

(3)采用大功率場(chǎng)效應(yīng)雙管功率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的百瓦級(jí)脈沖功率輸出

采用大功率場(chǎng)效應(yīng)雙管功率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的百瓦級(jí)脈沖功率輸出;采取中頻和射頻同步封閉控制和收發(fā)電路異構(gòu)布局措施獲得的高收發(fā)隔離度。脈沖功放模塊的大功率輸出采用由前至后逐級(jí)推動(dòng)方法,末級(jí)是由2個(gè)60 W(P-1 dB)的功率放大管進(jìn)行功率合成,由于脈沖體制,放大器可工作在飽和狀態(tài),單管滿功率輸出可比P-1dB大 1～2 dB,即達(dá)75～95 W,合成效率可達(dá)90%以上,而脈沖功放工作于飽和狀態(tài),雙工器插損小于0.6 dB,因此,應(yīng)答機(jī)輸出功率可以達(dá)到120 W,實(shí)現(xiàn)了百瓦級(jí)脈沖功率輸出。

(4)多脈沖屏蔽技術(shù)

利用數(shù)字平臺(tái),在程序中增加輸入脈沖個(gè)數(shù)和脈沖特性判決門,有效剔除干擾信號(hào)和多脈沖信號(hào),使應(yīng)答機(jī)不會(huì)工作在超高重復(fù)頻率下,有效保護(hù)了應(yīng)答機(jī)不會(huì)因多脈沖而被損傷。

3 全固態(tài)數(shù)字化脈沖相參應(yīng)答機(jī)的工程實(shí)現(xiàn)情況

3.1 關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試情況

單機(jī)指標(biāo)測(cè)試情況見(jiàn)表1,測(cè)距均值誤差小于等于0.5 m。

表1 關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試情況Table 1 Experiment data of critical index of the transponder

3.2 工程實(shí)現(xiàn)及使用情況

整機(jī)外形和脈沖轉(zhuǎn)發(fā)頻譜圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 整機(jī)外形圖Fig.4 The outline of transponder

圖5 脈沖轉(zhuǎn)發(fā)頻譜圖Fig.5 The spectrum of reflecting pulse signal

全固態(tài)數(shù)字化脈沖相參應(yīng)答機(jī)目前參加的試驗(yàn)有環(huán)境篩選試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)、典試試驗(yàn)(運(yùn)輸、沖擊、典型振動(dòng)、加速度、噪聲、低氣壓、濕熱、貯存、正弦掃描)、電磁兼容、可靠性增長(zhǎng)等,圓滿完成4次正式飛行試驗(yàn)任務(wù)。所有試驗(yàn)和任務(wù)期間技術(shù)指標(biāo)均合格,未出現(xiàn)任何設(shè)計(jì)和質(zhì)量問(wèn)題。

3.3 國(guó)內(nèi)外水平比對(duì)及后續(xù)想法

全固態(tài)數(shù)字化脈沖相參應(yīng)答機(jī)作為國(guó)內(nèi)第一批數(shù)字化外測(cè)應(yīng)答機(jī),首次在脈沖體制下采用數(shù)字平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì);整機(jī)最大延遲誤差僅為幾納秒,對(duì)接測(cè)量的均值誤差小于0.5 m;在外測(cè)領(lǐng)域填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,對(duì)我國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。該應(yīng)答機(jī)具有體積小、重量輕、可靠性高、生產(chǎn)性良好等特點(diǎn),經(jīng)過(guò)指標(biāo)測(cè)試和飛行器實(shí)飛使用,技術(shù)指標(biāo)滿足優(yōu)良,其整體技術(shù)水平居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。

美、俄、歐空局為代表的國(guó)外航天測(cè)控系統(tǒng),星/箭/彈載外測(cè)設(shè)備均向著高集成度數(shù)字化的方向發(fā)展,其星/箭/彈載外測(cè)應(yīng)答機(jī)測(cè)量精度相當(dāng)高。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和實(shí)際的需求,脈沖相參應(yīng)答機(jī)將配合地面雷達(dá)站進(jìn)行測(cè)速精度的研究和提高,縮短與國(guó)際水平差距。

4 結(jié)束語(yǔ)

全固態(tài)數(shù)字化脈沖相參應(yīng)答機(jī)采用以可編程邏輯器件(FPGA)為核心,中頻電路實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、軟件化,其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、精度及可靠性高、生產(chǎn)性良好等,其整體技術(shù)水平居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。該產(chǎn)品已成功應(yīng)用于靶場(chǎng)外測(cè)系統(tǒng)中,其設(shè)計(jì)原理和方法已在其他同類產(chǎn)品中被采用。

[1] 徐敏.單脈沖測(cè)量雷達(dá)測(cè)速技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2005,27(1):58-61.XU Min.A Study on Velocity Measurement of Monopulse in strum entation Radar[J].Modern Radar,2005,27(1):58-61.(in Chinese)

[2] 劉嘉興.飛行器測(cè)控通信工程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.LIU Jia-xing.Spacecraft TT&C and Communication Engineering[M].Beijing:National Defense Industry Press,2010.(in Chinese)

[3] 陳霞.數(shù)字脈沖應(yīng)答機(jī)的時(shí)延補(bǔ)償方法[J].電訊技術(shù),2010,50(4):65-67.CHEN Xia.Time Delay Compensation Method for Digital Pulse Transponder[J].Telecommunication Engineering,2010,50(4):65-67.(in Chinese)