新型電離層探測(cè)儀發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

潘凌云，楊國斌，許晨，劉桐辛

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，武漢430072)

新型電離層探測(cè)儀發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

潘凌云，楊國斌*，許晨，劉桐辛

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，武漢430072)

為了實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)通帶高增益性能、兼容多種探測(cè)編碼體制，同時(shí)采用一副天線進(jìn)行收發(fā)探測(cè)，武漢大學(xué)研制的新型電離層探測(cè)儀的發(fā)射系統(tǒng)采用了軟件無線電思想和模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由波形產(chǎn)生模塊、功放單元模塊和收發(fā)開關(guān)模塊構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該發(fā)射系統(tǒng)在日常探測(cè)中實(shí)現(xiàn)了多種電離層探測(cè)方式，在實(shí)時(shí)獲取豐富的電離層探測(cè)結(jié)果同時(shí)，方便攜帶且工作性能穩(wěn)定。

發(fā)射系統(tǒng);軟件無線電思想;模塊化設(shè)計(jì);功放單元;收發(fā)開關(guān)

電離層探測(cè)儀是一種工作在短波頻段的雷達(dá)系統(tǒng)，依據(jù)電離層對(duì)短波頻段無線電信號(hào)反射的原理，它可對(duì)電離層進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)并獲取電離層信道的散射函數(shù)，進(jìn)而通過反演得到電離層高度及其電子濃度的變化特征［1-3］。電離層是通訊信道和高頻無線電電波傳播重要組成部分，作為主要的地基電離層觀測(cè)設(shè)備，電離層探測(cè)儀可以對(duì)電離層狀態(tài)參量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，因此，它對(duì)空間物理學(xué)的研究和國防建設(shè)具有重要意義［4］。但是，目前的電離層探測(cè)儀往往采用單一的探測(cè)體制和探測(cè)波形，不能兼顧多種探測(cè)模式和被測(cè)目標(biāo)的特性，導(dǎo)致系統(tǒng)的可升級(jí)性和可擴(kuò)展性不強(qiáng)［5］。同時(shí)，現(xiàn)有的電離層探測(cè)儀基本上都是采用兩副或者多副天線進(jìn)行探測(cè)，發(fā)射天線和接收天線分開放置，這不僅使得探測(cè)場(chǎng)地要求較高、天線架設(shè)難度和成本增加，也會(huì)因?yàn)樘炀€之間的能量耦合對(duì)探測(cè)效果產(chǎn)生一定影響［6-7］。

為了解決上述問題，武漢大學(xué)研制了一種新型的電離層探測(cè)儀發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)的波形產(chǎn)生模塊依托直接數(shù)字頻率合成器進(jìn)行全軟件化參數(shù)配置，針對(duì)不同的探測(cè)需求，可靈活地配置不同的探測(cè)波形和探測(cè)參數(shù);功放單元模塊采用固態(tài)發(fā)射機(jī)技術(shù)，在整個(gè)短波工作帶寬內(nèi)可實(shí)現(xiàn)通帶增益平坦、低諧波輸出;同時(shí)，大功率短波天線開關(guān)的實(shí)現(xiàn)使得原來的收發(fā)天線分置可改進(jìn)為收發(fā)共用一副天線，簡化了探測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的架設(shè)難度和對(duì)場(chǎng)地的要求。新型電離層探測(cè)儀的設(shè)計(jì)不但精簡了探測(cè)設(shè)備、降低了成本、豐富了探測(cè)方式和改善了探測(cè)效果，也為構(gòu)建天線陣列收發(fā)一體化帶來了應(yīng)用前景。

1 新型電離層探測(cè)儀發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型電離層探測(cè)儀發(fā)射系統(tǒng)主要由波形產(chǎn)生模塊、功放單元模塊和收發(fā)開關(guān)模塊組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)探測(cè)時(shí)，計(jì)算機(jī)設(shè)置收發(fā)開關(guān)為發(fā)射狀態(tài)，通過控制傳輸方式使USB接口芯片向現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)寫入波形發(fā)生模塊的頻率控制字、相位控制字等信息，使得直接數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生探測(cè)波形，信號(hào)再通過功放單元模塊由HF偶極子天線向外完成發(fā)射;系統(tǒng)接收時(shí)，收發(fā)開關(guān)設(shè)置為接收狀態(tài)，信號(hào)由天線進(jìn)入接收系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)被批量傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理與分析。同時(shí)，為了對(duì)大范圍的電離層動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，多臺(tái)探測(cè)儀使用GPS信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步收發(fā)。

圖1 新型電離層探測(cè)儀系統(tǒng)框圖

1.1 波形產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

電離層探測(cè)時(shí)，假定發(fā)射信號(hào)為s(t)、經(jīng)過解調(diào)后的回波信號(hào)為g(t)，表達(dá)式分別為:

式中，a(t)為調(diào)制的窄帶信號(hào)，f1為載頻，τ為相對(duì)時(shí)延，ρ為探測(cè)路徑，h(t，τ)為電離層信道的脈沖響應(yīng)函數(shù)。

當(dāng)a(t)的自相關(guān)函數(shù)具有類似Dirac形狀的特點(diǎn)時(shí)，將發(fā)射信號(hào)s(t)延時(shí)td后與回波信號(hào)g(t)作

時(shí)間長度為T1的互相關(guān)運(yùn)算，并且信道在T1時(shí)間內(nèi)處于穩(wěn)態(tài)，那么互相關(guān)函數(shù)在時(shí)刻t1有:

因而，當(dāng)探測(cè)碼制具有較好的自相關(guān)特性時(shí)，通過多次探測(cè)可獲得電離層信道的脈沖響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而可獲取電離層的一系列特性。目前的電離層探測(cè)儀僅采用單一的調(diào)制序列和調(diào)制方式進(jìn)行探測(cè)，無法兼顧多種探測(cè)模式和被測(cè)目標(biāo)的特性，造成系統(tǒng)的可升級(jí)性差和擴(kuò)展性不強(qiáng)［5］。因而，新型電離層探測(cè)儀發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)了波形產(chǎn)生模塊，對(duì)于不同的探測(cè)應(yīng)用，通過配置對(duì)應(yīng)的軟件化參數(shù)選擇不同的探測(cè)方式和探測(cè)體制。探測(cè)波形產(chǎn)生模塊由直接數(shù)字頻率合成芯片AD9958實(shí)現(xiàn)。AD9958是ADI公司的高性能集成直接數(shù)字頻率合成器件，最高工作時(shí)鐘可達(dá)500 MHz，內(nèi)部集成兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)字頻率合成器(DDS)內(nèi)核，分別用于實(shí)現(xiàn)本振信號(hào)和發(fā)射信號(hào)輸出。通過配置內(nèi)部寄存器，能實(shí)現(xiàn)最高16級(jí)的ASK、PSK、FSK調(diào)制和線性的幅度、相位、頻率掃描。

對(duì)于垂直探測(cè)與移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)，由于回波功率相對(duì)較大，要求探測(cè)快，而相關(guān)特性較好的巴克碼和互補(bǔ)碼可滿足該探測(cè)應(yīng)用的需求［8］。對(duì)于斜向探測(cè)和斜向返回探測(cè)，由于回波信號(hào)較弱，因而采取自相關(guān)性好且增益高的偽隨機(jī)碼，如m序列［9］。圖2是基于AD9958設(shè)計(jì)的m序列以及巴克碼波形圖。

圖2 基于AD9958設(shè)計(jì)波形示意圖

圖2中，CLK為系統(tǒng)時(shí)鐘，代表基帶速率;A(t)為相位脈沖調(diào)制編碼，長度為n;B(t)為經(jīng)AD9958相位調(diào)制的輸出波形;C(t)為幅度控制信號(hào)，代表輸出幅度有無;T3為探測(cè)周期。對(duì)于7階m序列，調(diào)制序列長度n為127，發(fā)射脈沖寬度Tp為25.6 μs，距離分辨率為3.84 km，占空比(T2/T1)為20%，第一無盲區(qū)無模糊探測(cè)距離為19.2 km。探測(cè)中，碼元以等間隔方式交替發(fā)射和接收，系統(tǒng)可接收遠(yuǎn)近距離的探測(cè)回波。對(duì)于7 bit的巴克碼，脈寬Tp為

25.6 μs，距離分辨率也為3.84 km;發(fā)射脈沖寬度為

加快建立適應(yīng)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制和可持續(xù)發(fā)展要求的區(qū)域水資源統(tǒng)一管理體制，進(jìn)一步完善城鄉(xiāng)水務(wù)一體化管理，為推進(jìn)城市水務(wù)市場(chǎng)化提供體制保障。要通過健全制度、完善政策法規(guī)和城市水務(wù)市場(chǎng)規(guī)則的手段，為外資、民營資本進(jìn)入水務(wù)市場(chǎng)營造良好的市場(chǎng)環(huán)境，保證各類資本在水務(wù)市場(chǎng)中的公平競(jìng)爭(zhēng)、依法經(jīng)營。

179.2 μs，發(fā)射占空比(T4/T3)為5%，盲區(qū)距離為

26.88 km;最大探測(cè)距離為1075.2 km。m序列和巴克碼在實(shí)際探測(cè)應(yīng)用時(shí)，其占空比、探測(cè)次數(shù)、碼序列長度等參數(shù)均可通過軟件靈活設(shè)定。

1.2 功放單元模塊設(shè)計(jì)

功放單元模塊是電離層探測(cè)系統(tǒng)中的核心模塊之一。功放單元的主要功能是將信號(hào)激勵(lì)元產(chǎn)生的射頻信號(hào)進(jìn)行放大，然后饋送到發(fā)射天線端。從發(fā)射天線端輻射出去的電磁波信號(hào)經(jīng)過自由空間傳輸損耗和電離層傳播損耗，返回到接收天線端的信號(hào)能量將大幅衰減，因此，只有保證功放單元的增益性能，回波信號(hào)才能在接收機(jī)的靈敏度門限以上［10-11］。同時(shí)，為減小功放單元模塊對(duì)探測(cè)效果的影響，需保證整個(gè)短波工作帶寬內(nèi)的諧波失真低、增益平坦。

探測(cè)儀功放單元模塊的具體指標(biāo)有:工作頻段為2 MHz～30 MHz;輸入功率為0 dBm;輸出功率為53 dBm;增益平坦度低于±0.5 dB;諧波輸出為低于-20 dBc。

針對(duì)于目前的寬帶固態(tài)放大器特性，單片的功率放大器芯片增益往往僅為十幾分貝，鑒于此，結(jié)合市面上成熟的短波功率放大器件，需要使用三級(jí)功放電路級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)53 dB的增益需求。第1級(jí)使用MW6S004作為小信號(hào)放大器，其最大輸出功率為36 dBm，在探測(cè)頻段內(nèi)設(shè)計(jì)增益為17 dB，當(dāng)輸入信號(hào)為0 dBm，該級(jí)輸出功率為17 dBm推動(dòng)級(jí)選用MRFE6VS25L，其最大輸出功率可達(dá)44 dBm，設(shè)計(jì)增益為19 dB，輸出功率為36 dBm。末級(jí)使用MRF6VP11KH，采用推挽結(jié)構(gòu)，其最大輸出功率可達(dá)60 dBm，由于探測(cè)儀發(fā)射系統(tǒng)功放單元模塊輸出功率在53 dBm以上，因而設(shè)計(jì)增益為17 dB。使用Advanced Design System(ADS)對(duì)上述三級(jí)放大電路進(jìn)行S參量仿真和諧波平衡分析，采用寬帶匹配技術(shù)、負(fù)反饋技術(shù)和負(fù)載牽引技術(shù)，使功率放大器能盡量穩(wěn)定地工作于AB類狀態(tài)，在滿足功率要求的同時(shí)盡量保證一定的線性度［12］。圖3是功放單元模塊設(shè)計(jì)與仿真框圖。

圖3 功放單元模塊設(shè)計(jì)與仿真框圖

1.3 收發(fā)開關(guān)設(shè)計(jì)

原有的電離層探測(cè)儀天線收發(fā)分置，不僅使得探測(cè)場(chǎng)地要求較高、天線架設(shè)難度大，還會(huì)因?yàn)槭瞻l(fā)天線之間的互耦而影響探測(cè)結(jié)果。新型電離層探測(cè)儀設(shè)計(jì)了收發(fā)開關(guān)，在解決上述問題同時(shí)可實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用一副天線。收發(fā)開關(guān)使用PIN二極管作為核心器件，利用PIN二極管的導(dǎo)通電阻大小隨正反偏置電流的變化關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)功能［13］。電離層探測(cè)中，開關(guān)需具有切換速度快、隔離度高和插入損耗低的特性。較高的隔離度和較低的插入損耗可以確保在發(fā)射大功率信號(hào)時(shí)，開關(guān)器件的消耗功率小，而接收機(jī)幾乎不受干擾。電離層探測(cè)儀要求收發(fā)開關(guān)在工作頻帶內(nèi)(2 MHz～30 MHz)的插入損耗低于1 dB，隔離度大于70 dB，開關(guān)速度低于基帶速率25.6μs，而承受峰值功率大于53 dBm。

由PIN二極管構(gòu)成的單極單擲(SPST)電路有4種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):串聯(lián)型、并聯(lián)型、串并聯(lián)型和串并串型［14］。串并結(jié)構(gòu)相對(duì)其他3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有隔離度高、插入損耗低的優(yōu)點(diǎn)，因而選擇串并聯(lián)型結(jié)構(gòu)作為SPST電路基本的結(jié)構(gòu)，開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路1、3正向偏置且驅(qū)動(dòng)電路2、4反向偏置時(shí)，PIN1、PIN3截止，PIN2、PIN4導(dǎo)通，此時(shí)收發(fā)開關(guān)工作于發(fā)射模式;當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路1、3反向偏置且驅(qū)動(dòng)電路2、4正向偏置時(shí)，此時(shí)電路工作于接收模式。為方便仿真與測(cè)試，PIN二極管均使用同一型號(hào)二極管。

圖4 收發(fā)開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

式中，f為的工作頻率;Z0為負(fù)載阻抗;L為PIN二極管等效串聯(lián)電感;CT為二極管的電容;RP為并聯(lián)電阻;RS為串聯(lián)電阻。

當(dāng)工作頻率為10 MHz時(shí)，并參考二極管的數(shù)據(jù)手冊(cè)，由式(7)和式(8)可算得開關(guān)的插入損耗為

0.44 dB，隔離度為98 dB，均優(yōu)于探測(cè)儀設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)要求。

二極管在導(dǎo)通與截止的切換過程中存在時(shí)延特性，因而開關(guān)設(shè)計(jì)對(duì)每路偏置電壓采用獨(dú)立控制信號(hào)，通過測(cè)出時(shí)延，可精確控制每路二極管狀態(tài)，從而有效避免發(fā)射信號(hào)對(duì)接收系統(tǒng)的干擾，還可保證接收系統(tǒng)完整地接收回波信號(hào)。

2 測(cè)試結(jié)果

新型電離層探測(cè)儀發(fā)射系統(tǒng)測(cè)試包含:功放單元模塊的測(cè)試、收發(fā)開關(guān)的測(cè)試和電離層探測(cè)儀整機(jī)測(cè)試。

圖5為功放單元模塊在短波段增益的仿真與測(cè)試的結(jié)果。ADS仿真結(jié)果的增益平坦度為±0.35 dB，實(shí)測(cè)為±0.45 dB，均低于設(shè)計(jì)的±0.5 dB;而實(shí)際測(cè)試的第2次諧波失真以及第3次諧波失真都低于-20 dBc，為了取得更好的諧波失真，可以考慮加入自適應(yīng)濾波電路。

圖5 功放單元模塊測(cè)試結(jié)果

圖6與圖7為收發(fā)開關(guān)測(cè)試仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果。在ADS仿真中，對(duì)PIN二極管的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)分別使用等效模型代替。對(duì)于圖6，實(shí)際測(cè)得的隔離度大于80 dB，插入損耗低于0.5 dB。而實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的差異主要是由于仿真器件與實(shí)際使用的器件存在一定的差異，如電容的等效串聯(lián)電阻阻值隨工作頻率的變化有較大的差異，另外存在寄生電感、電容等，因而實(shí)際測(cè)試插入損耗值低于仿真結(jié)果。實(shí)際中，可通過采用具有更好特性的電容、電感解決該問題，如ATC100E系列的電容可以克服等效串聯(lián)電阻隨頻率變化大的影響等。圖7是開關(guān)速度的測(cè)試結(jié)果，開關(guān)的上升時(shí)間僅為6.3μs，而下降時(shí)間為14.6μs，因而開關(guān)速度足夠高且比已有的一些窄帶開關(guān)速度更快(約為40μs)［15］。

圖6 開關(guān)的隔離度以及插入損耗

圖7 收發(fā)開關(guān)的開關(guān)速度測(cè)試結(jié)果

圖8為電離層探測(cè)儀測(cè)試的結(jié)果，探測(cè)時(shí)間為北京時(shí)間2015年12月03日11時(shí)45分，在云南省普洱市(22.7°N，101.05°E)利用新型電離層探測(cè)儀進(jìn)行垂直探測(cè)，使用掃頻模式，發(fā)射功率為53 dBm，以100 kHz的步進(jìn)頻率從2 MHz掃頻至16 MHz。圖8中可以清楚地看到E層，F(xiàn)1層和F2層的虛高分別為98 km、205 km和280 km;尋常波的E層、F1層和F2層的臨界頻率分別為4.0 MHz、4.7 MHz和12MHz;非尋常波的E層、F1層和F2層的臨界頻率分別為4.2 MHz、5 MHz和12.8 MHz;在420 km以上還可看到二跳回波以及由多徑效應(yīng)引起的回波。

圖8 電離層探測(cè)儀測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文介紹的新型電離層探測(cè)儀發(fā)射系統(tǒng)由軟件化的信號(hào)產(chǎn)生模塊、功放單元模塊和收發(fā)開關(guān)模塊組成，從實(shí)際的探測(cè)結(jié)果可以看出，該發(fā)射系統(tǒng)可獲得高質(zhì)量的電離層探測(cè)回波信息，能夠滿足常規(guī)的電離層探測(cè)需求。該發(fā)射系統(tǒng)創(chuàng)新性地改變了常規(guī)電離層探測(cè)儀的工作體制和工作方式，依托通帶增益性能高的功放單元和大功率短波天線開關(guān)，采用一副天線即可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的電離層觀測(cè)，使得探測(cè)設(shè)備能夠更加精簡，便攜性得到很大的提高。同時(shí)，探測(cè)碼制和探測(cè)參數(shù)可以靈活地通過軟件進(jìn)行配置，使得電離層探測(cè)儀可以依據(jù)不同的探測(cè)環(huán)境和目標(biāo)特性進(jìn)行探測(cè)，不但可以用來對(duì)軟目標(biāo)電離層進(jìn)行常規(guī)觀測(cè)，同時(shí)可以對(duì)硬目標(biāo)(飛機(jī)、艦船等)進(jìn)行探測(cè)，拓展了電離層探測(cè)儀的應(yīng)用。

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潘凌云(1990-)，男，漢族，江西南昌人，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院碩士，主要研究方向?yàn)榭臻g探測(cè)與信息處理技術(shù)，partain_ply@whu.edu.cn;

楊國斌(1983-)，男，漢族，江西高安人，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院副教授，博士，主要研究方向?yàn)榭臻g探測(cè)技術(shù)，gbyang@whu.edu.cn;

許晨(1993-)，男，漢族，湖北荊州人，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院碩士，主要研究方向?yàn)榭臻g探測(cè)與信息處理技術(shù)，2011301200221@whu.edu.cn;

劉桐辛(1993-)，男，漢族，遼寧鐵嶺人，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院碩士，主要研究方向?yàn)閮x器科學(xué)與技術(shù)，2015202120049 @whu.edu.cn。

Design of Transm itting System for a New Type of Ionosonde*

PAN Lingyun，YANGGuobin*，XU Chen，LIU Tongxin

(School of Electronic Information，Wuhan Univ，Wuhan 430079，China)

In order to implement the whole system great gain performance in the high frequency band，achieve a variety of encoding detection system and use the same antenna to transmit and receive signal，a novel transmitting system forWuhan University ionosonde was introduced.According to the techniques of software radio and modular design，the system was designed and achieved.The transmitting system consists ofwaveform producedmodule，power amplifiermodule and transceiver switch module.Experiments proved that the system can offer various types of detecting waveform，obtain abundant result of detecting ionosphere in real-time and make the sounding system more portable and stable in the daily detection.

transmitting system;software radio;modular design;amplifiermodule;transceiver switch

C:6320;7710B

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.026

TN957.3

:A

:1005－9490(2017)01－0136－06

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41304127，41327002)

2016-01-24修改日期:2016-02-25