一種帶有前級功控的二次雷達發射機設計

王玉柱 滕新友 牟光紅 邰戰雄 任業富

摘? 要：二次雷達在不同的使用環境下，周圍的天然地形或人造建筑會對其發射的電磁波形成遮擋，導致反射信號過大，對二次雷達造成多徑干擾，影響雷達的正常工作。鑒于此，該文設計一種帶有前級功控的發射機，該發射機的飽和輸出功率可達800 W，可實現3 dB衰減步進，0～15 dB的衰減范圍，當天線輻射路徑中有遮擋物時，前級功控會控制發射機的輸出功率，減小雷達的反射信號，從而解決多徑干擾的問題。

關鍵詞：二次雷達；發射機；前級功控

中圖分類號：TN95? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）01-0044-04

Design of Secondary Radar Transmitter with Pre-stage Power Control Function

WANG Yuzhu， TENG Xinyou， MOU Guanghong， TAI Zhanxiong， REN Yefu

（Sichuan Jiuzhou Aerocont Technologies Co.， Ltd.， Mianyang? 621000， China）

Abstract： In different use environments， the natural terrain or man-made buildings around the secondary radar will block the electromagnetic waves it emits， resulting in excessive reflected signals， causing multipath interference to the secondary radar and affecting the normal operation of the radar. In view of this， this paper designs a transmitter with front-stage power control function. The saturated output power of the transmitter can reach 800 W， which can achieve 3 dB attenuation step and 0～15 dB attenuation range. When there is an obstruction in the antenna radiation path， the front power control will control the output power of the transmitter， reduce the radar reflection signal， and thus solve the problem of multipath interference.

Keywords： secondary radar; transmitter; pre-stage power control

0? 引? 言

二次雷達是空管系統的重要組成部分，是航空管制的重要信息源，適用于機場和航路監視，可提供威力覆蓋范圍內合作目標的距離、方位、氣壓高度、識別代碼和其他特殊標志信息。

二次雷達通過發射載頻為1 030 MHz的詢問信號和接收載頻為1 090 MHz的應答信號，實現對合作目標的監視功能。二次雷達由天線、饋線、發射機、接收機、信號處理、數據處理和顯控終端組成[1]。其中，發射機的主要作用是將信號處理模塊送入的編碼信息調制到載波信號，并將載波信號放大到一定的功率，通過天線輻射到空間，達到傳輸信號的作用。當發射機功率較大并且在信號傳輸路徑上有遮擋物時，電磁波會被反射回來，對二次雷達造成多路徑干擾。為消除反射導致的多路徑干擾，在發射機中引入功率控制技術，對指定方位降低發射功率，達到減小甚至消除電磁波反射的效果。

1? 發射機功控方式分類

1.1? 末級功率控制技術

末級功率控制技術是指在信號經過發射機放大到足夠功率后，在輸出端口設計一個大功率程控衰減器，將輸出功率衰減到合適大小。根據雷達需要，可設置不同的衰減量，其功能框圖如圖1所示。

大功率程控衰減器通常是由PIN管和固定衰減器組成的衰減網絡，內部分為多個衰減支路，每個支路安裝不同數值的衰減器。當發射機輸出功率需要衰減時，通過控制各支路PIN二極管的導通和截止，使射頻信號沿著預定的衰減支路進行傳輸，進而實現功率衰減的功能。這種功控方式的優點是設計思路簡單、調試工作量小，缺點是成本高、衰減器插入損耗大、體積大、衰減網絡可靠性低、發射機功耗高等。

1.2? 電壓降壓功率控制技術

電壓降壓功率控制是指通過控制放大器漏極直流偏置電壓，根據功率衰減要求降低放大器漏極供電電壓，從而降低發射功率。設計中常用的放大器（Si管、LDMOS、GaN等），要想得到最大輸出功率，需提供標稱的最大漏極電壓值。由功率計算公式P=UI可知，放大器偏置電路的電壓降低，直流功率隨之降低，相應的放大器輸出射頻功率也會降低，其功能框圖如圖2所示。

電壓控制電路由大功率MOS管和分壓電路組成，每個分壓支路可將所輸入的直流電壓分為不同值的電壓，并通過大功率MOS管為放大器提供漏極偏置電壓。在輸入信號功率恒定的情況下，如果漏極偏置電壓降低，放大器的增益會隨之變小，實現輸出功率衰減的功能。這種功控方式的優點是放大器始終工作在飽和放大狀態，輸出功率在高低溫下波動小，輸出脈沖波形不會發生變異，缺點是分壓電路熱耗高、可靠性低。

1.3? 前級功率控制技術

前級功率控制技術是指在放大鏈路前端采用程控衰減電路進行功率控制，降低后級放大器的輸入功率，根據Pout（dBm）=Pin（dBm）+Gp（dB）可知，放大器增益不變時，輸出功率會隨著輸入功率的減小而減小，其功能框圖如圖3所示。

由于程控衰減器位于放大鏈路的前端小信號電路中，衰減后的信號還要經過多級放大器。如果后級的放大器工作在非線性區，輸出功率不會隨著輸入功率線性減小。因此，調試過程中需要采用衰減控制電路對各衰減值進行補償，使輸出功率的衰減量滿足要求。這種功控方式的優點是成本低、發射機功耗小、電路可靠性高，缺點是調試工作量大。

2? 帶有前級功控的二次雷達發射機設計

2.1? 發射機總體方案設計

發射機主要由載波電路、信號調制電路、小信號放大電路、前級程控衰減電路、功率放大電路、頻譜濾波電路、檢測電路、保護電路、衰減值補償電路等組成，組成框圖如圖4所示。

發射機內部信號傳輸流程為：頻率源電路輸出1 030 MHz連續波信號；調制電路通過處理模塊送入的幅度調制信號和相位調制信號對連續波進行調幅、調相，濾波后送至小信號放大電路；小信號放大電路將信號放大到一定功率后送至程控衰減電路；程控衰減電路通過處理模塊送入的功控信號實現放大鏈路的功率衰減；之后射頻信號經過三級放大電路，將信號放大至1 000 W后送入濾波電路；濾波電路對帶外雜散信號濾除后送至天線端口。

2.2? 放大電路設計方案

在單個放大器設計中，要注重放大器的穩定性、增益和輸出功率[2]。在多級放大器設計中，要注重整個放大鏈路的輸出功率、級間匹配、增益分配等。

根據使用需求，放大電路需要實現信號從0 dBm放大到60 dBm，根據現有的技術水平，采用四級放大器才可實現。通過合理分配各級放大器增益，最終選用HMC589ST89E、AFT27S010NT1、MRFE6S9060NR1、AFV121KH四種放大器進行電路設計，各放大器性能指標如表1所示。

由于放大鏈路級聯級數多，總增益高，為保證放大器工作穩定，消除前后級間的相互影響，在各級放大器之間采用隔離器或匹配π衰電路增強級間匹配，減小放大器輸出端反射信號對自身的影響。匹配電路設計中采用分布元件和集總元件實現阻抗匹配，既保證發射機性能一致性，減小調試工作量，又可縮小輸入、輸出匹配電路的體積。放大電路原理圖如圖5所示。

2.3? 前級功控衰減電路設計方案

前級功控衰減電路由衰減電路和控制電路兩部分組成。衰減電路分為主數控衰減器和輔助數控衰減器。主數控衰減器選用HMC624來實現，單片衰減范圍30.5 dB，衰減步進0.5 dB[3]。輔助數控衰減器的作用是提高電路的衰減精度，本方案中選用HMC792來實現，單片衰減范圍為15.75 dB，衰減步進級聯0.25 dB。通過級聯設計，衰減電路可實現46.25 dB的動態范圍，最小0.25 dB的步進。衰減電路原理圖如圖6所示。

控制電路由FPGA和FLASH組成。FPGA選用XC3S700AN-4FGG484I，采用90納米工藝設計，具有成本低、可靠性高、內存大等特點，除了滿足發射機功率控制電路使用要求之外，還可以實現發射機占空比保護、功率檢波上報、發射機工作狀態監視等功能。

FLASH選用SST25VF080B，具有工作電壓范圍寬、功耗低等特點，能夠適應2.7 V～3.6 V的電壓，最高時鐘頻率可達80 MHz，其電路設計原理圖如圖7所示。

由于放大電路工作在非線性狀態，輸出功率不會隨著輸入功率線性減小，且在不同溫度條件下，放大器增益會發生變化，進而導致輸出功率發生波動。因此，需要根據輸出功率的實測值改變輸入功率的大小。

調試發射機時，通過串口控制FPGA進入調試模式，讀取溫度傳感器上報的溫度值，控制衰減器改變放大電路輸入功率，將衰減電路每個衰減檔位在高溫、常溫、低溫三個工作狀態下衰減電路的實際衰減值寫入FLASH中。發射機正常工作時，FPGA接收到外部處理模塊的程控信號后，在FLASH中查表，讀取實際衰減值，轉化為程控衰減器的串行控制信號，實現精確衰減。

3? 發射機調試及測試結果

發射機在調試過程中，調試平臺應接地良好，各個測試儀器儀表和穩壓電源需連接到同一個參考地，操作人員需佩戴防靜電手環。發射機調試平臺連接框圖如圖8所示。

發射機通電前先使用三用表檢測各組電壓是否正確；然后對每個放大器進行靜態調試，使用穩壓電源為放大器提供柵壓和漏壓，逐步增大柵壓，觀察漏壓的電流值，以達到器件要求為準；之后將衰減電路衰減值設置為0 dB，調試放大鏈路的增益和輸出功率；最后調試前級程控衰減電路，在寄存器中將補償衰減值寫入表儲存。

調試中，由于放大鏈路輸入端功率降低，會使各級放大器工作在不飽和放大的狀態，處于回退使用模式[4]。此時，放大器效率將快速降低，當回退幅度較大時，末級放大器效率大幅降低[5]，能量大部分轉化為熱量。為了提供脈沖放大瞬時能量，需要調整儲能電容的容值。

同時，由于各級放大器工作在不飽和放大狀態，放大鏈路前后級也容易相互干擾，導致放大器處于不穩定狀態，使輸出信號脈沖出現異形。因此，需要調整放大器靜態工作點，通過電位器調整各級放大器柵壓，使整個放大鏈路處于穩定狀態。

調試完畢后，使用頻譜儀測得發射機端口輸出功率經50 dB衰減器后的輸出功率為7.7 dBm，輸出脈沖波形如圖9所示。

通過串口控制FPGA處于工作模式，測試發射機0～15 dB的前級功率控制功能，衰減步進3 dB。功率衰減0 dB～6 dB的輸出波形如圖10所示，功率衰減9 dB～15 dB的輸出波形如圖11所示。其中，縱向坐標代表發射機輸出功率，橫向坐標代表發射機的各衰減檔位，每格脈沖為一種衰減狀態。

由測試結果可知，發射機輸出功率可根據外部輸入的功率控制信號進行衰減，衰減步進為3 dB，最大誤差不超過±0.6 dB，且脈沖特性一致性好，符合設計預期。

4? 結? 論

本文設計一種帶有前級功控的發射機，其輸出功率可根據處理模塊的控制信號實現高精度衰減。由于衰減電路位于放大鏈路的前端，可選用小信號程控衰減器實現，這樣大大降低了發射機的硬件成本。同時，衰減電路帶入發射鏈路的插入損耗小，末級放大器在選型時可降低輸出功率指標，減小功耗，提高發射機整機效率。前級功控方式還可以實現更小步進、更大范圍的衰減功能，在射頻鏈路中具有通用性好、實現容易、控制靈活的特點。此外，本文的功控方法及電路也適用于軍民領域的相關應用。

參考文獻：

[1] 張尉，何康.空管二次雷達 [M].北京：國防工業出版社，2017.

[2] I.J.巴爾.射頻與微波晶體管放大器基礎 [M].鮑景富，譯.北京：電子工業出版社，2013.

[3] 李琛.民航數據鏈VDL Mode 2應用研究 [J].現代電子技術，2014，37（11）：15-18.

[4] 楊旺紅.寬帶高回退Doherty功率放大器的研究與設計 [J].成都：電子科技大學，2022.

[5] 金正男，李寶華.提高全固態高頻功率放大器工作效率的幾種方法 [J].內蒙古廣播與電視技術，2011，28（4）：71-72.

作者簡介：王玉柱（1990—），男，漢族，甘肅永昌人，中級工程師，副主任設計師，碩士，主要研究方向：微波電路與功率放大器設計和研究；滕新友（1986—），男，漢族，四川廣安人，高級工程師，副主任設計師，碩士，主要研究方向：微波電路與功率放大器設計和研究；牟光紅（1989—），男，漢族，四川雅安人，中級工程師，副主任設計師，碩士，主要研究方向：FPGA邏輯電路設計與研究；邰戰雄（1978—），男，漢族，山西臨汾人，高級工程師，副總設計師，學士，主要研究方向：微波電路與功率放大器設計和研究；任業富（1987—），男，漢族，四川江油人，中級工程師，副主任設計師，學士，主要研究方向：微波電路與功率放大器設計和研究。

收稿日期：2022-09-21