一種基于比幅比相的單脈沖雷達接收機

支　敏，張　暉

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214035）

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一種基于比幅比相的單脈沖雷達接收機

支敏，張暉

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214035）

摘要：根據(jù)和差單脈沖雷達接收機原理，設計了一款基于和差波束比幅比相的S波段跟蹤接收機。該接收機主要由和波束接收支路、方位差波束接收支路和俯仰差波束接收支路組成，每個接收支路分別完成對信號的放大、濾波、混頻和自動電平調(diào)整。兩路差波束信號再以和波束信號作為比較基準，通過相位和幅度的比較得出角度信息。詳細分析了如何實現(xiàn)支路之間的相位比較和幅度比較，并利用比幅信息和比相信息實現(xiàn)對目標的自動跟蹤。經(jīng)過驗證系統(tǒng)的各項指標符合設計要求。

關(guān)鍵詞：單脈沖；自動增益控制；鑒幅；鑒相

1　概述

單脈沖雷達是一種精密跟蹤雷達。它每發(fā)射一個脈沖，天線能同時形成若干個波束，將各波束回波信號的振幅和相位進行比較，當目標位于天線軸線上時，各波束回波信號的振幅和相位相等，信號差為零；當目標不在天線軸線上時，各波束回波信號的振幅和相位不等，產(chǎn)生信號差，驅(qū)動天線轉(zhuǎn)向目標直至天線軸線對準目標，這樣便可測出目標的高低角和方位角，從而實現(xiàn)對目標的跟蹤。

2　系統(tǒng)架構(gòu)

2.1天線饋電單元

單脈沖雷達接收機通常由4個天線饋電單元與3個接收支路組成。圖1所示是經(jīng)典的4天線和差波束組成圖。

在接收目標雷達的回波信號時，4個天線饋電單元經(jīng)過射頻和差橋結(jié)網(wǎng)絡形成5個接收波束。其中1個為和波束，由4個天線饋電單元的接收信號全部相加而成，其中心軸即天線的瞄準軸。和波束的接收信號經(jīng)和支路接收機放大、濾波以后，用以提供測角的比較基準。

圖1　四喇叭和差電路示意圖

處于同一水平面上的兩個波束為方位測角波束，其形狀相同，與瞄準軸左右對稱排列，以一定角度重疊。另兩個為仰角測角波束，處于同一個垂直平面上（與方位波束垂直），也是形狀相同，與瞄準軸上下對稱排列，以一定角度重疊。兩個方位波束接收的信號，經(jīng)和差橋結(jié)網(wǎng)絡，進行幅度相減，取得方位角差信號。當天線瞄準軸對準目標時，兩個方位波束接收的信號幅度相同，其差信號為零。當目標在方位上偏離天線瞄準軸時，兩個方位波束接收的信號幅度不同，就有幅度差信號輸出，稱為方位差信號。這個差信號經(jīng)方位差支路接收機放大、濾波以后與和波束進行幅度和相位比較，產(chǎn)生方位誤差信號，誤差信號大小與目標偏離旋轉(zhuǎn)軸的角度成比例，極性決定于偏離的方向。誤差信號送到天線控制系統(tǒng)，驅(qū)動天線向減小方位誤差信號的方向轉(zhuǎn)動，直到瞄準軸對準目標，方位誤差信號為零時天線停止轉(zhuǎn)動，從而使天線在方位上精確地跟蹤目標。2個仰角波束和仰角差接收支路的工作情況與方位差支路類似。圖2為和差波束的幅度波束示意圖。

圖2　天線和差波束幅度示意圖

如圖2所示，中間的橫軸零點就是對應天線瞄準軸，在此位置時，和波束幅度最強，差波束幅度最小，和差波束幅度差達到最大值；當目標向瞄準軸兩側(cè)偏時，和差波束的幅度差值越來越小，直至偏出作用范圍。至于目標偏在瞄準軸的左側(cè)還是右側(cè)，則由和差波束的相位比較值得出。

2.2接收支路

3個接收支路主要完成信號的放大、濾波，并將信號進行下變頻到中頻頻段，以便進行鑒幅鑒相處理。

其中的和波束接收支路在整個處理中作為鑒幅鑒相的比較基準，在前端進行一系列的放大、濾波、混頻后，在中頻頻段進行自動增益控制，使其輸出信號的功率控制在一個固定電平上，并輸出一個電平控制電壓給另外兩個差波束支路，以便調(diào)節(jié)差波束支路的增益。

差波束的前端電路與和波束相同，在完成放大、濾波和混頻后，進入壓控增益放大電路，增益控制電壓來自和波束支路的增益控制電路。

3個接收支路主要的設計要點是：3個支路的第一級必須采用高增益的低噪聲放大器，確保鏈路的低噪聲系數(shù)以獲得較高的接收靈敏度。和波束支路應有盡可能高的增益，差波束支路應有盡可能高的斜率和增益，3個支路要保持一定的相位一致性和幅度一致性，并適當考慮旁瓣電平、零值深度、零點漂移、阻抗、帶寬和極化特性諸因素。圖3是典型的單脈沖和差波束接收支路原理框圖。

3　設計過程

我們針對S波段單脈沖雷達的信號特征，設計了一款S波段單脈沖雷達接收機。主要還是由和波束接收支路和兩個差波束接收支路組成。

3.1和波束接收支路

和波束接收支路原理圖見圖4。

為了防止空間中有瞬時大信號出現(xiàn)，每個支路的第一級都加入了限幅器，這樣可以保證輸入給放大器的信號在一定的功率范圍內(nèi)，不至于因信號功率過大而燒毀器件。我們選用的限幅器型號是MINI公司的RLM-63-2W+，它可以在輸入信號最大為32 dBm的情況下，保證輸出信號的功率小于12 dBm。另外，它的插損只有0.3 dB，不會對整個鏈路的噪聲系數(shù)產(chǎn)生過大的影響。

限幅器的后面是兩級級聯(lián)低噪聲放大器，選用Hittite公司生產(chǎn)的HMC462LP5，兩級級聯(lián)后可以提供26 dB以上的增益，而噪聲系數(shù)只有2.5 dB。

圖3　單脈沖和差波束接收支路原理框圖

圖4　和波束接收支路

在兩級級聯(lián)放大器后是從合肥博侖公司定制的射頻帶通濾波器，主要目的是把帶外信號濾除掉，防止有別的無用信號進入后級的混頻器，從而產(chǎn)生非線性響應。

放大濾波后的射頻信號進入混頻器，選用合適的本振信號將射頻信號轉(zhuǎn)換到500 MHz以內(nèi)的中頻信號。我們選用Hittite公司的混頻器HMC213。再結(jié)合定制的中頻帶通濾波器，就可以得到想要的中頻信號了。

混頻濾波后的中頻信號最后進入自動增益控制電路AD8367，在45 dB的功率范圍內(nèi)，都將輸出0 dBm左右的穩(wěn)定功率，從而可以給最終的鑒相鑒幅電路提供穩(wěn)定的比較基準。

我們設計的接收靈敏度可以達到-90 dBm，動態(tài)范圍可以達到50 dB以上。圖5和圖6分別是鏈路工作在最小增益和最大增益時的參數(shù)。

圖5　最小增益時的參數(shù)設計

圖6　最大增益時的參數(shù)設計

從圖5可以看出，當鏈路輸入信號較強時，進入自動增益控制電路的中頻信號就比較大，這時ACG電路就會調(diào)節(jié)自身的增益到最小值，以使輸出信號控制在0 dBm。

從圖6可以看出，當鏈路輸入信號較弱時，進入自動增益控制電路的中頻信號就比較小，這時ACG電路就會調(diào)節(jié)自身的增益到最大值，以使輸出信號控制在0 dBm。

3.2差波束接收支路

差波束接收支路原理圖見圖7。

圖7　差波束接收支路原理圖

差波束接收支路的電路構(gòu)成與和波束接收支路基本一致，唯一不同在于最后一級電路的用法。在和波束接收支路中，最后一級電路AD8367被設置成自動增益控制，它根據(jù)自身接收到的信號強度自動調(diào)節(jié)增益，并輸出一個增益控制電壓。在差波束接收支路中，最后一級也是選用AD8367，但它被設置成壓控增益電路，自身增益通過和波束接收支路輸出的增益控制電壓來控制，從而達到和差波束接收支路的增益平衡。

4　關(guān)鍵技術(shù)

4.1自動增益電路

在通信、導航、遙測遙控等無線系統(tǒng)中，由于受發(fā)射功率大小、收發(fā)距離遠近、無線電波傳播衰落等各種因素的影響，接收機所接收的信號強弱變化范圍很大，信號強度的變化可能相差幾十分貝，如果電路增益不變，則信號太強時會造成接收機的飽和或阻塞，甚至使接收機損壞，而信號太弱時又可能被丟失。因此，在接收微弱信號時，希望接收機有很高的增益，而在接收強信號時，接收機的增益應該減小一些。這種要求靠人工增益控制來實現(xiàn)是困難的，必須采用自動增益控制電路，使接收機的增益隨輸入信號強弱而自動變化。

我們在單脈沖雷達接收機中使用的是ANALOG公司的可變增益放大器AD8367，通過控制芯片的模式選擇管腳，可以實現(xiàn)和波束接收支路需要的自動增益控制功能和兩路差波束接收支路需要的壓控增益放大器功能。圖8是AD8367的功能框圖。

圖8　AD8367功能框圖

AD8367是一款高性能45 dB可變增益放大器。在芯片的輸入級集成了一個9階電阻網(wǎng)絡，每階可提供5 dB的衰減。當芯片工作在最大增益時，9階電阻網(wǎng)絡被短接跳過；當工作在最小增益時，9階電阻衰減網(wǎng)絡被全選。在電阻網(wǎng)絡之后是一個有42.5 dB固定增益的中頻放大器，它和電阻網(wǎng)絡組合在一起可以提供-2.5～+42.5 dB的增益控制范圍。在放大器輸出端并接著一個平方律檢波器，可以將放大器輸出電壓的功率值轉(zhuǎn)換為電壓值，并直接去控制gian腳，從而實現(xiàn)一個完整的AGC閉環(huán)。

增益控制輸入端GAIN（5引腳）接收來自AGC檢波器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器的控制電壓，增益控制電壓范圍為50～950 mV。當芯片配置在自動增益模式時（對應gain down模式），電壓越小，增益越大；當芯片配置在壓控增益模式時（對應gain up模式），電壓越大，增益越大。增益控制的斜率為20 mV/dB。

在和波束接收支路中，信號經(jīng)放大、濾波、混頻后變?yōu)橹蓄l信號，進入AD8367。在此支路上，AD8367被設為自動增益模式，不同功率大小的輸入信號經(jīng)AD8367后輸出一個功率穩(wěn)定的中頻信號，在此設為-11 dBm。同時，在芯片的gain腳，產(chǎn)生一個與實際增益對應的控制電壓，去控制兩路差波束接收支路的壓控增益放大器AD8367。

在差波束接收支路中，信號一開始的處理與和波束一樣，放大、濾波、混頻后變?yōu)橹蓄l信號，進入AD8367。在差波束接收支路上，AD8367被設為壓控增益放大模式，增益控制電壓來自和波束接收支路的AGC芯片輸出電壓，這樣可以確保3路接收支路的AD8367芯片的增益保持一致，從而使3個接收支路的總增益保持一致。

4.2鑒幅鑒相電路

單脈沖雷達接收機的最后一級是鑒幅鑒相電路，主要功能是將兩路差波束分別與和波束進行比幅比相，得出的幅度差值和相位差值就代表接收目標對應偏離瞄準軸的位置，進而可以引導伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動天線瞄準軸，實現(xiàn)對目標信號的持續(xù)跟蹤。

本方案采用的鑒幅鑒相電路是ANALOG公司的AD8302。該芯片是一款集成幅度比較和相位比較的測量芯片，只需一個單獨的外部供電，就可實現(xiàn)30mV/dB的幅度測量精度和10 mV/°的相位測量精度。AD8302功能框圖見圖9。

圖9　AD8302功能框圖

在單脈沖雷達接收機中，將用到兩個AD8302進行鑒幅鑒相。每個AD8302的INPA腳輸入的都是和波束接收支路經(jīng)功分器過來的信號，兩個差波束接收支路過來的信號分別接入兩個AD8302的INPB腳。根據(jù)和差網(wǎng)絡方向圖可以得出，當目標信號對準瞄準軸時，兩路信號差值最大，也即AD8302的鑒幅輸出電平最大。典型的鑒幅特性曲線見圖10。

AD8302最大可以鑒別幅度差達30 dB的信號，鑒于和差波束天線網(wǎng)絡的零值深度一般為25 dB左右，所以該芯片能覆蓋所有方向點上的和差信號的幅度鑒別。當目標信號偏離瞄準軸時，和差波束信號之間的幅度差變小，鑒幅輸出幅度也相應變小。

通過和差波束鑒幅的輸出電平可以判斷目標信號是否偏離瞄準軸，但卻無法具體區(qū)分目標偏離在方向軸的左邊還是右邊。這就需要通過和差波束鑒相輸出電平來判別。由于差波束在方向軸兩側(cè)只有180°的相位突變，也即和差波束鑒相輸出電平只有兩個值，最小值30 mV和最大值1800 mV。典型的鑒相特性曲線見圖11。

圖10　AD8302鑒幅特性曲線

圖11　AD8302鑒相曲線圖

在鑒相輸出后接一比較器，將門限設在900 mV，這樣最終輸出就只有高低電平兩種狀態(tài)了，低電平代表目標偏在瞄準軸的左邊，高電平代表目標偏在瞄準軸的右邊。

將和波束與方向差波束、俯仰差波束分別比較得出的兩個鑒幅電平和兩個鑒相電平同時送給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)根據(jù)鑒幅的電平大小和鑒相的電平屬性調(diào)節(jié)伺服系統(tǒng)向目標中心點轉(zhuǎn)動。伺服每轉(zhuǎn)動一次，重新采樣接收機送過來的鑒幅鑒相數(shù)據(jù)，根據(jù)最新數(shù)據(jù)，再做相應的調(diào)節(jié)動作，如此循環(huán)往復，就可以實現(xiàn)對目標的跟蹤。

5　性能測試結(jié)果

圖12～圖15分別是在信號功率下限和上限時的測試結(jié)果。

圖12　水平方向鑒幅曲線圖（動態(tài)下限時）

圖13　俯仰方向鑒幅曲線圖（動態(tài)下限時）

當輸入信號比較小，在接收機工作下限時，測出來的方向曲線不是很平滑，雷達伺服系統(tǒng)跟蹤目標時會有小的抖動，這是因為信號較小時，進入鑒幅鑒相電路的信號的信噪比比較差，導致輸出電壓疊加了不小的噪聲，從而使跟蹤曲線不是很平滑。

圖14　水平方向鑒幅曲線圖（動態(tài)上限時）

圖15　俯仰方向鑒幅曲線圖（動態(tài)上限時）

而當輸入信號接近動態(tài)上限時，信號比較大，從而使整個鏈路的增益比較小，信噪比較高，進入鑒幅鑒相電路的噪聲比較小。輸出電壓非常平穩(wěn)。跟蹤方向曲線非常平滑，接近理想曲線。雷達伺服系統(tǒng)能非常穩(wěn)定地跟蹤上目標。

對整個接收機測試結(jié)果表明，該款S波段單脈沖雷達接收機的工作靈敏度可以達到-88 dBm，動態(tài)范圍50 dB，滿足設計要求。

6　結(jié)束語

該單脈沖雷達接收機已應用于某無源雷達跟蹤系統(tǒng)，大量的測試試驗表明接收機工作穩(wěn)定，跟蹤性能的穩(wěn)定性和可靠性均能滿足系統(tǒng)要求。

參考文獻：

[1]列昂諾夫A,黃虹，譯.脈沖雷達[M].北京：國防工業(yè)出版社，1974.

[2]毛祺，安紅，周先敏.二維相位和差單脈沖雷達的測角性能分析[J].電子信息對抗技術(shù)，2007，22：15-18.

支敏（1979—），男，江蘇無錫人，本科，2002年畢業(yè)于南京航空航天大學電子工程系，現(xiàn)就職于中國電子科技集團公司第58研究所，主要從事射頻系統(tǒng)的設計研究。

Mono-Pulse Radar Receiver Based on Gain and Phase Detect

ZHI Min, ZHANG Hui
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035,China）

Abstract：According to the theory of mono-pulse radar receiver, designing a type of band-S receiver based on gain and phase detect. The receiver includes sum-beam link、azimuth angle-beam link and pitching angle-beam link. These receiver links managed the signal amplifying、filtering、mixing and AGC function. Analyzing how to detect gain and phase between three receiver links and how to automatic follow according to the information of amplitude and phase. All the system performance is validated to be according with design requirement.

Keywords:mono-pulse; AGC; gain detect; phase detect

作者簡介：

收稿日期：2015-11-24

中圖分類號：TN 958.1

文獻標識碼：A

文章編號：1681-1070（2016）04-0034-06