某型接收機(jī)相位補(bǔ)償電路分析

石淑娟 趙曉強(qiáng) 李珍珍 張莉/國(guó)營(yíng)洛陽(yáng)丹城無(wú)線(xiàn)電廠(chǎng)

0 引言

目前，單脈沖測(cè)角原理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種雷達(dá)型制導(dǎo)系統(tǒng)[1]。在雷達(dá)系統(tǒng)中，采用單脈沖和差波束得到目標(biāo)的角位置信息，其中角誤差信息作為目標(biāo)偏離天線(xiàn)的開(kāi)環(huán)指示，或作為伺服系統(tǒng)的輸入控制天線(xiàn)轉(zhuǎn)向，完成雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的閉環(huán)跟蹤。在這個(gè)二維測(cè)角系統(tǒng)中，和差運(yùn)算產(chǎn)生的和信號(hào)、俯仰信號(hào)和方位信號(hào)在各自的信道中被放大、濾波，系統(tǒng)對(duì)和差信號(hào)進(jìn)行歸一化處理、和差比相后實(shí)現(xiàn)二維測(cè)角。

某型裝備采用了相位和差單脈沖測(cè)角原理，通過(guò)對(duì)天線(xiàn)上4 個(gè)偏軸子波束進(jìn)行和差運(yùn)算，獲得目標(biāo)在空間的俯仰角和方位角。要得到角誤差信息，需對(duì)和差波束接收機(jī)的輸出信號(hào)作歸一化處理運(yùn)算，并將歸一化的和差信號(hào)轉(zhuǎn)化為失調(diào)角（目標(biāo)偏離波束瞄準(zhǔn)軸的偏移量）。由于各種因素的影響，導(dǎo)致三通道接收機(jī)接收通道間的幅相特性不一致，因此利用和差信號(hào)的歸一化值得到的角誤差存在誤差。如果通道的不一致性使測(cè)角誤差超過(guò)了精度允許范圍，就必須予與調(diào)整補(bǔ)償。研究表明：?jiǎn)蚊}沖天線(xiàn)接收信號(hào)進(jìn)行相位比較，要求和通道與差通道正交，且三路幅相一致，即三路的放大量和相移量應(yīng)高度一致；由于和差通道存在幅度和相對(duì)相位差，必然導(dǎo)致測(cè)角出現(xiàn)誤差。為此，必須通過(guò)移相電路來(lái)補(bǔ)償通道間的幅相不一致 性[2]。

1 接收機(jī)幅相一致性影響因素分析

1.1 影響接收機(jī)幅度一致性的因素

在接收機(jī)三個(gè)通道中，影響傳輸信號(hào)幅度不一致的主要因素來(lái)自各級(jí)放大器傳輸特性曲線(xiàn)的不一致，特別是當(dāng)接收機(jī)的輸入信號(hào)幅度從靈敏度一直增大到過(guò)載的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍過(guò)程中，三個(gè)通道的多級(jí)放大器增益很難始終保持一致。從圖1 可以看出，在輸入信號(hào)幅度小于A(yíng) 點(diǎn)的范圍內(nèi)，放大器的輸出是隨著輸入信號(hào)的幅度增大而增大，傳輸特性呈線(xiàn)性關(guān)系，增益基本不變。但當(dāng)輸入信號(hào)幅度大于A(yíng) 點(diǎn)后，由于放大器輸出幅度的增大導(dǎo)致加載增益控制端的控制電壓提高，放大器的增益下降，因此A 點(diǎn)為放大器的穩(wěn)定點(diǎn)。接收機(jī)在設(shè)計(jì)各級(jí)放大器時(shí)加入了電位器，可以調(diào)整放大器的增益，保證在接收機(jī)調(diào)試時(shí)可對(duì)幅度的一致性進(jìn)行調(diào)整。

圖1 放大器特性曲線(xiàn)

1.2 影響接收機(jī)相位一致性的因素

接收機(jī)的放大器除了對(duì)三路傳輸信號(hào)的幅度一致性影響較大外，同樣對(duì)傳輸信號(hào)的相位一致性有較大影響。其次，在接收機(jī)整個(gè)系統(tǒng)中，影響相位一致性的還有各級(jí)濾波器。當(dāng)信號(hào)通過(guò)濾波器時(shí)，信號(hào)的相位延遲基本上與頻率變化成線(xiàn)性關(guān)系，但是接收機(jī)在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多普勒頻率跟蹤的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)剩余的失諧頻率Δf，同時(shí)接收機(jī)在工作過(guò)程中也會(huì)由于環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生來(lái)自本振頻率的漂移。上述所有頻率的變化都會(huì)引起信號(hào)相位的變化。在多次變頻的接收機(jī)中，安裝多級(jí)濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行選通濾波，如果同一組濾波器的頻相特性曲線(xiàn)差別過(guò)大，將導(dǎo)致三路傳輸信號(hào)的附加相移不一致，從而增大三路輸出信號(hào)相位的不一致度。

1.3 解決幅相不一致性的措施

為了解決接收機(jī)三路傳輸信號(hào)幅度相位的不一致性問(wèn)題，通常采取三個(gè)方面的措施。一、嚴(yán)格挑選接收機(jī)放大器傳輸特性和AGC 受控特性，將特性曲線(xiàn)一致的放大器歸為一組，一般要求三只一組；二、對(duì)于各級(jí)濾波器的幅頻及相頻特性進(jìn)行挑選測(cè)試，將特性曲線(xiàn)一致的相同濾波器每三只配成一組；三、在整機(jī)聯(lián)調(diào)時(shí)，設(shè)計(jì)幅度相位調(diào)整控制電壓（通常由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)），對(duì)接收機(jī)的幅相一致性進(jìn)行調(diào)整。某型接收機(jī)兩個(gè)差路信號(hào)的幅度控制是通過(guò)導(dǎo)引頭計(jì)算機(jī)送來(lái)的兩路編號(hào)分別為DA1 和DA2的控制電壓進(jìn)行調(diào)整的，在壓控移相電路輸入端施加線(xiàn)性變化的控制電壓，電壓范圍為-7 ～7V，以彌補(bǔ)相位影響。

2 某型接收機(jī)移相電路分析

某型接收機(jī)幅度和相位補(bǔ)償電路采用了變跨導(dǎo)相乘器。變跨導(dǎo)相乘器主要用于實(shí)現(xiàn)調(diào)制、解調(diào)、混頻、鑒頻和鑒相功能。

2.1 變跨導(dǎo)相乘器介紹

變跨導(dǎo)相乘器由帶恒流源的差分對(duì)放大電路演變而來(lái)，變跨導(dǎo)相乘器[3-4]的電路形式是利用簡(jiǎn)諧振蕩規(guī)律改變晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管的工作點(diǎn)，從而改變其跨導(dǎo)的時(shí)變跨導(dǎo)電路。乘法器屬于非線(xiàn)性電路，許多文獻(xiàn)都對(duì)其進(jìn)行過(guò)分析，分析的基礎(chǔ)是PN 結(jié)電流方程，但在分析前已經(jīng)進(jìn)行了假設(shè)，即輸入的兩路信號(hào)都是很小的（即輸入電壓相對(duì)于電壓溫度當(dāng)量很小[5]）。這樣，晶體管的集電極電流就與輸入電壓近似成為線(xiàn)性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)其乘法器的功能，但對(duì)于輸入信號(hào)較大的情況卻很少分析。本文分析相乘器的一般特性。圖2所示為差分對(duì)電路，設(shè)iC1、iC2分別是VT1 和VT2 的集電極電流，uBE1、uBE2分別是VT1 和VT2 的基射極電壓，則 有

由公式（2）可知：

1）輸出交流電壓uo與輸入電壓uI呈非線(xiàn)性（雙曲正切函數(shù)）關(guān)系，與恒流源I0呈線(xiàn)性關(guān)系。

2）uI很小時(shí)，tanh（uI/2UT）約等于uI/2UT，輸出電壓uo與輸入電壓uI可以近似為線(xiàn)性關(guān)系，這與文獻(xiàn)中的分析結(jié)論是一致的。

3）uI很大時(shí)，電路呈限幅狀態(tài)，晶體管工作接近開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以應(yīng)用于高速開(kāi)關(guān)電路。

2.2 某型接收機(jī)移相電路分析

某型接收機(jī)移相電路如圖3 所示，fga 和fgb 為兩路處于正交狀態(tài)（相位相差90°）的輸入信號(hào)，Δ1Lof 和Δ1Loz為兩路相位控制電壓（指令）輸入端；LO1f 和LO1z 分別為兩路相對(duì)于輸入信號(hào)產(chǎn)生了相位移的輸出信號(hào)。計(jì)算機(jī)通過(guò)移相電壓DA1/Δ1_Loz 和DA2/Δ1_Lof 控制本振信號(hào)fg（fg=fga-fgb）。

圖2 差分對(duì)電路

圖3 某型接收機(jī)移相電路

1）某型接收機(jī)移相電路理論計(jì)算

圖3 中的晶體管VT37 和VT38、VT06 和VT39 分別構(gòu)成兩個(gè)微恒流源。設(shè)晶體管共基極交流電流放大系數(shù)α≈1，IR為晶體管VT38（或VT39）的發(fā)射極電流，則微恒流源的輸出電流I0滿(mǎn)足方程：

2UT·lnIR/I0=（2I0-IR）·RRP3C（3）

這是一個(gè)超越方程，通常用圖解法或累試法求解。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)需要的I0和IR求解電阻RP3C 的值。

設(shè)： 流 過(guò) 電 阻RP4G 和RP4F 的電流分別為i1和i1；三極管VT01、VT02、VT03 和VT04 的集電極電流分別為i01、i02、i03和i04；三極管VT06 和VT37 的集電極電流分別為i06和i07；經(jīng)過(guò)電容C90 和C91 輸出電流為i0；微恒流源電流為I′0=I0。則：

從公式（6）可以得出：輸出電流i0與本振ufg和移相控制電壓差（ulozulof）呈非線(xiàn)性關(guān)系。但是，由于ufg遠(yuǎn)小于電壓溫度當(dāng)量UT，而移相控制電壓差（uloz-ulof）通常又大于電壓溫度當(dāng)量UT， 公 式（6） 可 以 近 似 為：

圖4 移相電路的控制曲線(xiàn)圖

即輸出電流i0與本振信號(hào)ufg呈線(xiàn)性關(guān)系，與移相控制電壓差（uloz-ulof）呈雙曲正切函數(shù)關(guān)系。

由此可以得出結(jié)論，計(jì)算機(jī)控制電壓與調(diào)相電路輸出信號(hào)相位差呈反雙曲正切函數(shù)關(guān)系：

2）某型接收機(jī)移相電路幅相特性測(cè)試

對(duì)fga 和fgb 端口加載本振信號(hào)，對(duì)移相電路的相位移控制指令Δ1Lof和Δ1Loz 加載從-7V 到+7V 依次變化的直流電壓，對(duì)其相位特性進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制出控制曲線(xiàn)，如圖4所示。從中可以看出，當(dāng)控制電壓由-7V到+7V 依次變化時(shí)，兩路輸出信號(hào)的相位移分別向相反的方向變化，呈線(xiàn)性關(guān)系，其曲線(xiàn)趨勢(shì)落在理論計(jì)算公式的線(xiàn)性部分，相位最大變化范圍為±75°（150°）左右，且相位移的線(xiàn)性度較好，基本上是控制電壓每變化1V，相位差變 化10°。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)單脈沖比相測(cè)角系統(tǒng)的分析，得到影響雷達(dá)接收機(jī)幅相一致性的因素，并分析了解決幅相不一致性的措施，對(duì)移相電路進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試，得出了某型接收機(jī)相位和幅度不一致的補(bǔ)償方法，對(duì)接收機(jī)設(shè)計(jì)的分析研究有借鑒意義。