寬帶大動態(tài)瞬時測頻接收機的設計與實現(xiàn)

張學成

(船舶重工集團公司723所,揚州 225001)

0 引 言

現(xiàn)代雷達偵察系統(tǒng)面臨著密集、復雜和捷變的電子信號環(huán)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(shù),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(nèi)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(jīng)成熟并作為一種模塊或部件廣泛用于各種電子戰(zhàn)設備中,在國內(nèi)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(tài)范圍≥70 dBm的瞬時測頻接收機的設計與實現(xiàn)。

1 實現(xiàn)方法

實現(xiàn)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(shù)字頻率代碼,均可稱為數(shù)字瞬時測頻。這里所說的是數(shù)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(xiàn)測頻模糊,對延遲線和相關器的相位精度及系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)范圍大,所以帶內(nèi)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(nèi)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(yōu)化程序,使其性能最優(yōu)。結構上采用三層帶狀線結構,上下介質(zhì)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(wǎng)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(jīng)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(diào)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(huán)網(wǎng)絡進行信號移相,根據(jù)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(nèi)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(chǎn)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(jīng)適當延時,鎖存量化電路產(chǎn)生的相位碼,頻率編碼電路根據(jù)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(xù)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(diào)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(huán)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(nèi)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(huán)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(tǒng)在常溫下進行測試,測得的數(shù)據(jù)如圖2～圖5所示。

功率為-60 dBm、脈寬為50 ns時測試數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

圖2 功率-60 dBm、脈寬 50 ns時的測試數(shù)據(jù)曲線

功率為-60 dBm、脈寬為連續(xù)波時的測試數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。

圖3 功率-60 dBm、脈寬為連續(xù)波時的測試數(shù)據(jù)曲線

功率為10 dBm、脈寬為50 ns時的測試數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

圖4 功率 10 dBm、脈寬50 ns時的測試數(shù)據(jù)曲線

功率為10 dBm、脈寬為連續(xù)波時的測試數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

圖5 功率10 dBm、脈寬為連續(xù)波時的測試數(shù)據(jù)曲線

從以上數(shù)據(jù)可以看出,在-60～+10 dBm動態(tài)范圍內(nèi),脈寬50 ns～連續(xù)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(xù)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(tài)瞬時測頻接收機技術先進,在實際工作中穩(wěn)定可靠,使用維修方便,其性能指標和環(huán)境適應性能夠滿足多種平臺的要求,處于國內(nèi)領先水平,應用前景廣闊。

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