一種毫米波引信低頻預處理電路*

谷雨桐,景 華,司馬濤,石 亮

(西安機電信息研究所,西安 710065)

0 引言

毫米波技術(shù)近年來發(fā)展十分迅速,將先進的毫米波探測、現(xiàn)代信號處理以及系統(tǒng)集成等技術(shù)與引信技術(shù)結(jié)合[1],是研究新型高性能彈藥近炸引信的重要途徑。

無線電引信低頻預處理電路是將敏感裝置輸出信號的有用信息提取出來進行選頻處理和放大,其主要參量是通頻帶和增益,它們對引信能否正常作用起著關(guān)鍵作用,設(shè)計原則是,在保留目標信號特征的前提下,盡可能抑制噪聲,提高信噪比[2]。因此,若要將引信頻段提高到毫米波波段,就需要設(shè)計一種通頻帶寬且增益高的引信低頻預處理電路。文中就此問題作以探討。

1 設(shè)計思想

無線電引信低頻預處理一般包括頻域預處理和幅度域預處理[2-3]。頻域預處理是對輸入信號進行濾波。選頻濾波的功能是濾除信號頻帶以外的噪聲和無用信號,通常是一個帶通濾波器,設(shè)計原則是,在保留目標信號特征的前提下,盡可能地抑制噪聲,提高信噪比。濾波器通帶一般按信號頻譜寬度選取。幅度域預處理包括放大等,探測器獲得的目標信號一般比較微弱,應先進行放大,然后加以處理[2]。根據(jù)以上原則并結(jié)合毫米波無線電引信的特點,引信低頻預處理電路應遵循以下設(shè)計思想:

1)根據(jù)無線電引信工作時間短的特點,可選用簡單且響應速度快的模擬濾波器電路。

2)毫米波引信目標信號頻譜隨彈目交會速度改變,選頻濾波器帶寬要做得較寬(通常為100kHz以上),且在要求高增益的情況下不能單純采用一個帶通濾波器,應以二階濾波為基本單元,二階濾波器級聯(lián)可構(gòu)成高階濾波器,高通和低通濾波器級聯(lián)可構(gòu)成帶通濾波器。

3)模擬濾波器主要是以運算放大器為核心的RC有源濾波器。電路中的運算放大器根據(jù)引信使用條件進行選擇。運算放大器的主要指標為增益帶寬積,毫米波引信需要帶寬寬且增益高,所以要選擇較大增益帶寬積的高速運放,但這會帶來高功耗問題,與引信的低功耗要求矛盾,所以應將二者結(jié)合起來考慮,即在功耗允許的情況下盡量選擇高增益帶寬積的運放。

2 設(shè)計原理

根據(jù)彈丸的使用要求及毫米波引信低頻預處理電路的設(shè)計思想,對此引信的低頻預處理電路進行設(shè)計,以滿足引信使用要求。

2.1 低頻預處理電路形式的確定

根據(jù)引信的彈目交會條件[4]及使用要求,計算出毫米波引信的通頻帶范圍為:10.5～110kHz,最佳攻擊點處的多普勒頻率為26kHz,即引信通頻帶的中心頻率在26kHz左右。對于100kHz帶寬的通頻帶,可采用高通和低通濾波器級聯(lián)構(gòu)成帶通濾波器。

根據(jù)彈丸主要在低伸彈道環(huán)境下使用的作戰(zhàn)使命,對低伸彈道噪聲的抑制極為重要,這就要求下界頻的頻率截止特性要好。對于毫米波引信而言,頻率越高,抑制噪聲的能力越強,所以對上界頻的要求較低,可使用運算放大器的自然頻率下降特性來完成低通濾波特性,優(yōu)點是可以獲得較高的增益且減少元器件。

運算放大器選擇AD公司生產(chǎn)的 TL084運放,每一片包含4個運放,每個運放電流為5mA,供電形式簡單,增益帶寬積4MHz,可滿足此引信預處理電路的要求。

基于以上分析,可以確定此引信低頻預處理電路形式,即可采用3個級聯(lián)的二階高通濾波放大器構(gòu)成的六階高通濾波器和一個一階低通濾波放大器混合構(gòu)成預處理電路帶通濾波放大器,采用1片T L084運放即可,有效節(jié)省了空間,且保證了濾波器下界頻頻率截止特性良好,極大的抑制了低伸彈道噪聲。

2.2 低頻預處理電路設(shè)計

1)根據(jù)引信的目標特性測試結(jié)果,確定出信號放大倍數(shù)在1800倍左右較為合適,據(jù)此進行電路放大參數(shù)分配如下:

第一級高通濾波器,第二級高通放大器放大倍數(shù)為6倍,第三級高通放大器放大倍數(shù)為10倍,第四級低通放大器放大倍數(shù)為30倍。

2)濾波器參數(shù)計算

以二階高通濾波放大器為例[5]。

放大倍數(shù):

截止頻率:

3)取 KF=10,c1=c2=6800pF,ωn=2π×10kHz,將這些參數(shù)代入式(1)、式(2)、式(3)可求得c3=680pF,R1=33kΩ,R3=3.3kΩ。

根據(jù)計算的電路參數(shù),可設(shè)計出毫米波引信低頻預處理電路,其原理圖如圖1所示。

圖1 毫米波引信低頻預處理電路原理圖

3 實驗驗證

根據(jù)原理圖,設(shè)計出實際的毫米波引信低頻預處理電路進行調(diào)試,以測試設(shè)計的電路是否滿足實際使用要求。測試平臺:無線電引信預處理電路自動測試系統(tǒng);輸入信號源:50mV正弦波,采樣間隔:500Hz,運放電壓:12V。在對個別元件進行微調(diào)后,得到測試曲線如圖2所示。從圖中可以得出預處理電路參數(shù),其中放大倍數(shù):1905倍,中心頻率:27.5kHz,下界頻:10.6kHz,上界頻:119.5kHz,噪聲:51mV。參數(shù)與理論值稍有差別,這主要是由于元器件值的散差造成的,但參數(shù)均在合格范圍內(nèi)。測試曲線前端陡峭,整個通頻帶曲線圓滑,噪聲值小。通過實驗室測試表明,設(shè)計的毫米波引信低頻預處理電路滿足設(shè)計要求。

圖2 毫米波引信低頻預處理電路測試曲線及參數(shù)

為驗證設(shè)計的電路是否滿足實際要求,對此預處理電路進行了炮射環(huán)境下的動態(tài)考核?？己朔椒?通過彈內(nèi)存儲回收試驗對引信放大輸出信號進行回讀,得到真實彈丸使用環(huán)境下的目標信號。毫米波引信通過預處理電路得到的放大輸出信號如圖3所示。從圖中可以看出,信號信噪比很高,目標特性明顯。這說明通過此方法設(shè)計的毫米波引信低頻預處理電路能夠滿足在低伸彈道環(huán)境下的實際使用要求。

圖3 毫米波引信放大輸出信號

4 結(jié)論

通過實驗室測試及外場炮射試驗表明,該無線電引信低頻預處理電路適合毫米波引信使用,具有寬頻帶、高增益、低功耗及噪聲抑制能力強等優(yōu)點,能夠滿足實際使用要求。

[1]李興國.毫米波近感技術(shù)及其應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,1989.

[2]臧立君,李興國.無線電引信電路設(shè)計原理[M].北京:兵器工業(yè)部教材編審室,1986.

[3]引信工程設(shè)計手冊[M].北京:總裝備部軍標出版發(fā)行部出版,2005.

[4]W R Stone.Rader cross section of complex object[M].New York:IEEE,1990.

[5]張衛(wèi)平,張英儒.現(xiàn)代電子電路原理與設(shè)計[M].北京:原子能出版社,1997.