基于對(duì)數(shù)放大器的三通道合一測(cè)角方法

陳 煦, 鄧 春, 呂海飛, 何文青, 楊 揚(yáng)

(上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109)

0 引言

和差振幅單脈沖測(cè)角體制是制導(dǎo)系統(tǒng)常用的測(cè)角體制之一?；夭y(cè)角信道將和信號(hào)、俯仰差信號(hào)、偏航差信號(hào)混頻為中頻信號(hào),兩路差信號(hào)經(jīng)頻率、相位多路復(fù)用處理后,與和信號(hào)合成一路類似調(diào)幅的合成信號(hào),經(jīng)主中頻放大器放大、自動(dòng)增益控制(AGC)及和差信號(hào)歸一化處理后,再進(jìn)行包絡(luò)檢波和解調(diào),形成俯仰和偏航兩路角誤差信號(hào)[1]。這種測(cè)角方法因電路角誤差解調(diào)時(shí)間較長(zhǎng),不適用于短時(shí)目標(biāo)角位置信息提取,且為了保證動(dòng)態(tài)范圍,需要進(jìn)行級(jí)聯(lián)中頻放大和自動(dòng)增益控制,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

本文以單脈沖比幅測(cè)角方法為例,采用連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器作為主要器件,實(shí)現(xiàn)回波信道的瞬時(shí)大動(dòng)態(tài)檢波。連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器動(dòng)態(tài)范圍較大,檢波信號(hào)輸出時(shí)間較短,且檢波信號(hào)輸出幅度與輸入信號(hào)的調(diào)制度成正比,與輸入信號(hào)的強(qiáng)弱無關(guān)。這種測(cè)角信道設(shè)計(jì)大大降低了回波信道的復(fù)雜度,縮短了角誤差解調(diào)時(shí)間,適用于要求測(cè)角快速響應(yīng)的制導(dǎo)系統(tǒng)[2]。

1 單脈沖比幅測(cè)角原理

單脈沖和差比幅測(cè)角是利用同一角平面內(nèi)兩個(gè)偏軸對(duì)稱的相同波束,將其同時(shí)接收到的回波信號(hào)做和差運(yùn)算后再進(jìn)行比幅測(cè)角。單脈沖和差比幅測(cè)角天線方向圖示意如圖1所示。其中,θ為目標(biāo)偏離天線電軸中心的角度,G為天線增益。

圖1 單脈沖和差比幅測(cè)角天線方向圖示意

設(shè)天線方向性函數(shù)為F(θ)。若兩天線波束的偏角為±Δθ,則兩個(gè)波束的方向性函數(shù)F1(θ)和F2(θ)分別表示為

對(duì)式(1)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開,可得

式中:μ為θ=0°處的差波束斜率。和波束方向性函數(shù)F∑(θ)和差波束方向性函數(shù)FΔ(θ)分別為

點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)可表示為

式中:a為點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)幅度;ω(t)為回波信號(hào)角頻率;φ為回波信號(hào)初始相位。

設(shè)目標(biāo)偏角為θ0,則點(diǎn)目標(biāo)回波的和信號(hào)S∑(θ0,t)和差信號(hào)SΔ(θ0,t)分別為

當(dāng)θ0小于天線主瓣寬度時(shí),可得

從上面分析可見,天線輸出的差信號(hào)與和信號(hào)的比值,與目標(biāo)相對(duì)天線電軸的偏角成正比。偏角的方向決定了差信號(hào)與和信號(hào)相位差。目標(biāo)偏向天線電軸正象限時(shí),相位差為0°,輸出的角誤差信號(hào)為正;目標(biāo)偏向天線電軸負(fù)象限時(shí),相位差為180o,輸出的角誤差為負(fù)。

常見的單脈沖比幅測(cè)角通道設(shè)計(jì)有三通道獨(dú)立與三通道合一兩種方案。三通道獨(dú)立測(cè)角方案將和差三通道輸出信號(hào)分別進(jìn)行放大、濾波及比幅處理。該方案對(duì)三個(gè)通道的增益一致性與相位一致性要求很高,硬件及算法復(fù)雜。三通道合一測(cè)角方案將俯仰差信號(hào)與偏航差信號(hào)進(jìn)行頻率與相位多路復(fù)用處理,然后與和信號(hào)相加形成一路信號(hào),在一個(gè)公共接收通道內(nèi)進(jìn)行放大、自動(dòng)增益控制和檢波,基本上消除了由于和差信號(hào)在不同通道放大引起的增益和相位的不一致,準(zhǔn)確保持了從天線所接收到的目標(biāo)偏角信息,能很好地滿足尋的制導(dǎo)系統(tǒng)的測(cè)角精度要求。三通道合一測(cè)角是制導(dǎo)系統(tǒng)常用的測(cè)角方案。

2 三通道合一測(cè)角方法

基于三通道合一測(cè)角闡述和差比幅測(cè)角的具體實(shí)現(xiàn)方法。三通道合一比幅測(cè)角的實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示[3]。

圖2 三通道合一測(cè)角的實(shí)現(xiàn)原理框圖

測(cè)角接收機(jī)采用倒置接收方式,濾波器設(shè)置在信道主要增益的前端。俯仰差中頻信號(hào)Uα(t)與偏航差中頻信號(hào)Uβ(t)被兩路低頻正交信號(hào)c o s 2 πfmt與s i n 2 πfmt調(diào)制后(fm為調(diào)制頻率),與和中頻信號(hào)UΣ(t)綜合成一路類似調(diào)幅的合成信號(hào);再由主中放進(jìn)行級(jí)聯(lián)放大、自動(dòng)增益控制及歸一化處理;最后進(jìn)行包絡(luò)檢波和同步解調(diào),形成俯仰與偏航角誤差信號(hào)?；夭ㄌ炀€接收目標(biāo)回波信號(hào),通過天線中的和差器轉(zhuǎn)換形成和信號(hào)及俯仰差、偏航差信號(hào),三路信號(hào)與本振進(jìn)行超外差混頻形成三路中頻信號(hào)

式中:aΣ(t)表示目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)過天線轉(zhuǎn)換后形成的和信號(hào)幅度;aα(t)=qαaΣ(t)表示回波經(jīng)過天線轉(zhuǎn)換后形成的俯仰差信號(hào)幅度,其中qα為俯仰方向上目標(biāo)相對(duì)天線電軸的夾角;aβ(t)=qβaΣ(t)表示回波經(jīng)過天線轉(zhuǎn)換后形成的偏航差信號(hào)幅度,其中qβ為偏航方向上目標(biāo)相對(duì)天線電軸的夾角;f1為中頻頻率。

俯仰差與偏航差中頻信號(hào)分別被兩路正交的低頻信號(hào)進(jìn)行抑制載波調(diào)制后,與和信號(hào)相加,綜合成一路類似調(diào)幅的合成信號(hào)

式中:φ(t)為合成信號(hào)的相位。對(duì)式(10)進(jìn)行歸一化處理后得到

式(11)中歸一化信號(hào)的包絡(luò)包含俯仰通道和偏航通道的角誤差信息。采用這種方法在一個(gè)通道中完成對(duì)和差信號(hào)的放大和自動(dòng)增益控制,保證了三路和差信號(hào)的幅相一致性[4]。

為了保證接收機(jī)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍,對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和歸一化處理,并對(duì)調(diào)理好的信號(hào)進(jìn)行檢波,檢波后輸出的包絡(luò)信號(hào)為

最后通過解調(diào)及低通濾波,就可以得到俯仰通道的角誤差信號(hào)uα和偏航通道的角誤差信號(hào)uβ,可分別表示為

兩路角誤差信號(hào)正確表征了目標(biāo)相對(duì)天線電軸的偏角信息,能夠準(zhǔn)確引導(dǎo)回波天線指向目標(biāo)。

這種測(cè)角方案雖然能夠準(zhǔn)確提取目標(biāo)偏角信息,但為了保證信道的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到100DB(天線接收的回波信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍通常為100DB),在中頻處理時(shí)需要采用級(jí)聯(lián)放大與AGC電路,導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性降低、調(diào)試難度增大。同時(shí),采用級(jí)聯(lián)中放、級(jí)聯(lián)AGC及包絡(luò)檢波等電路,將使檢波信號(hào)建立時(shí)間偏長(zhǎng)(通常大于5Ms),導(dǎo)致測(cè)角響應(yīng)速度慢,無法適應(yīng)制導(dǎo)系統(tǒng)的高響應(yīng)速度要求。

3 基于對(duì)數(shù)放大器的測(cè)角方法

3.1 連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器特性理論分析與仿真

連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器是由數(shù)級(jí)特性相同的限幅放大器級(jí)聯(lián)而成的。對(duì)于某級(jí)放大器而言,當(dāng)輸入電壓較小時(shí),放大器工作在線性區(qū),當(dāng)輸入電壓較大時(shí),放大器工作在限幅區(qū)。連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器的對(duì)數(shù)振幅特性是由數(shù)級(jí)限幅放大輸出信號(hào)檢波電壓相加得到的,利用這種方法得到的振幅特性近似于對(duì)數(shù)關(guān)系。圖3為連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器的原理框圖。

圖3 連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器原理框圖

圖3中,ui為輸入的中頻幅度包絡(luò)信號(hào),uo為對(duì)數(shù)放大器輸出的幅度包絡(luò)信號(hào)。設(shè)n級(jí)放大器的放大倍數(shù)均為K,n個(gè)檢波器的傳遞系數(shù)均為Kj,當(dāng)n級(jí)放大器均工作在線性區(qū)時(shí),相加器輸出信號(hào)可表示為

當(dāng)?shù)趍級(jí)放大器正好處于限幅狀態(tài),限幅輸出電平為ul,則相加器輸出信號(hào)可以表示為

此時(shí)等效輸入信號(hào)為

當(dāng)?shù)?級(jí)正好處于限幅狀態(tài)時(shí),相加器輸出信號(hào)為

此時(shí)等效輸入信號(hào)為

可以得到

由式(21)可知,連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的幅度包絡(luò)近似成對(duì)數(shù)關(guān)系。

調(diào)制度為M的調(diào)幅(AM)信號(hào)可以表示為

式中:fAM為調(diào)制的正弦信號(hào)頻率。

當(dāng)連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器輸入AM信號(hào)時(shí),對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)

根據(jù)式(23),對(duì)數(shù)放大器輸出信號(hào)包含交流分量uo,ac和直流分量uo,dc,表達(dá)式為

直流分量的大小與輸入AM信號(hào)的載波幅度ui成正比。交流分量的最大值和最小值為

根據(jù)交流分量的最大值和最小值,可以計(jì)算得到交流分量的幅度

由式(26)可知,輸入AM信號(hào)時(shí),對(duì)數(shù)放大器輸出信號(hào)的交流分量的幅度和輸入的AM信號(hào)調(diào)制度M成正比,而與輸入的AM信號(hào)載波幅度ui無關(guān)。

AM調(diào)制信號(hào)經(jīng)過對(duì)數(shù)放大、檢波,輸入和輸出信號(hào)波形的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器仿真結(jié)果

由圖4可知,輸入AM信號(hào)時(shí),對(duì)數(shù)放大器輸出信號(hào)包含直流分量與交流分量,直流分量的大小和輸入AM信號(hào)的載波能量成正比。

輸出信號(hào)交流分量的幅度與輸入信號(hào)調(diào)制度M的關(guān)系仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 輸出信號(hào)交流分量幅度與輸入信號(hào)調(diào)制度的關(guān)系

可知,當(dāng)輸入AM信號(hào)的調(diào)制度M小于50%時(shí),對(duì)數(shù)放大器輸出信號(hào)交流分量的幅度與輸入信號(hào)調(diào)制度M成線性關(guān)系。

一般在回波天線的和波束范圍內(nèi)搜索跟蹤目標(biāo)。在和波束內(nèi)天線輸出的和信號(hào)功率比差信號(hào)功率大6DB以上。則采用圖2的測(cè)角方法,和差三路信號(hào)相加后得到的類似調(diào)幅的合成信號(hào)的調(diào)制度不超過50%。而對(duì)于調(diào)制度小于50%的調(diào)幅信號(hào),對(duì)數(shù)放大器輸出的交流分量幅度與調(diào)制度成線性正比關(guān)系。因此可以采用連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器實(shí)現(xiàn)圖2中的級(jí)聯(lián)主中放、級(jí)聯(lián)AGC電路和包絡(luò)檢波電路的功能。

連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器有較大的動(dòng)態(tài)范圍,單級(jí)對(duì)數(shù)放大器動(dòng)態(tài)范圍通常能達(dá)到90DB以上,其輸出信號(hào)的建立時(shí)間也較短,通常小于0.1μs[5]。采用連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行測(cè)角設(shè)計(jì),可以簡(jiǎn)化回波測(cè)角的復(fù)雜度和調(diào)試難度,提高可靠性,同時(shí)縮短角誤差的建立時(shí)間。

3.2 基于連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器的測(cè)角方法

采用連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器代替圖2所示傳統(tǒng)測(cè)角系統(tǒng)中的級(jí)聯(lián)中放、級(jí)聯(lián)AGC和包絡(luò)檢波電路,實(shí)現(xiàn)放大、自動(dòng)增益控制、和差信號(hào)歸一化、檢波的功能。基于連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器的導(dǎo)引頭測(cè)角系統(tǒng)的原理框圖如圖6所示。

圖6 基于連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器的測(cè)角方法原理框圖

連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器輸出信號(hào)的直流分量與輸入信號(hào)的載波能量成正比,交流分量的幅度與輸入的調(diào)制度成線性正比關(guān)系,且與載波能量無關(guān)?？蓪⒔?jīng)過低通濾波的直流分量作為回波能量指示,將經(jīng)過隔直電容后提取的交流分量送至兩路乘法器,分別與兩路正交調(diào)制信號(hào)相乘,解調(diào)出俯仰與偏航角誤差信號(hào)。

連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器可以采用的典型器件,如A D8310、A D8309、A D608等,其輸入信號(hào)功率一般要求為(-80～+15)DB mW,動(dòng)態(tài)范圍為95 DB?；夭ㄌ炀€輸出的回波信號(hào)功率一般為(-130～-30)DB mW。為了保證對(duì)數(shù)放大器可以處理回波信號(hào)的最小功率,其相加器前端的預(yù)放大增益應(yīng)不小于50DB。

若相加器前端的預(yù)放大增益為50DB,當(dāng)回波信號(hào)功率達(dá)到最大值-30DB mW時(shí),如不加衰減,對(duì)數(shù)放大器的輸入端信號(hào)功率為+20DB mW,超出了對(duì)數(shù)放大器允許的輸入信號(hào)功率上限+15DB mW。因此需在對(duì)數(shù)放大器的前端電路中設(shè)置一級(jí)固定衰減器,當(dāng)預(yù)放大后輸出信號(hào)功率超出對(duì)數(shù)放大器的輸入信號(hào)功率上限時(shí)立即使能固定衰減器,使對(duì)數(shù)放大器輸入信號(hào)功率始終在器件允許范圍內(nèi)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在不同回波功率和不同目標(biāo)偏角情況下,對(duì)基于連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器的回波測(cè)角電路進(jìn)行測(cè)試。

在目標(biāo)的俯仰或偏航偏角為2°時(shí),不同回波功率下,即不同的信號(hào)檢波幅度下,目標(biāo)的偏角測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同回波功率時(shí)的目標(biāo)偏角測(cè)試結(jié)果

在回波功率為-80DB mW時(shí),不同輸入目標(biāo)偏角下的目標(biāo)偏角測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同目標(biāo)偏角時(shí)的目標(biāo)偏角測(cè)試結(jié)果

上述測(cè)試結(jié)果表明,對(duì)數(shù)放大器輸出的檢波信號(hào)幅度與目標(biāo)偏角成正比且是線性的關(guān)系,而與接收到的回波功率無關(guān),用該檢波信號(hào)解調(diào)輸出的角誤差所表征的目標(biāo)偏角與真實(shí)的目標(biāo)偏角基本一致,且角誤差信號(hào)的建立時(shí)間短(不超過200μs)。因此基于連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器的回波測(cè)角設(shè)計(jì)完全適用于對(duì)角誤差檢測(cè)響應(yīng)速度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

5 結(jié)論

連續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器具有動(dòng)態(tài)范圍大、輸出信號(hào)建立時(shí)間短、輸出交流分量與輸入調(diào)制度成正比等特點(diǎn),可以用于單脈沖回波測(cè)角系統(tǒng)?；谶B續(xù)檢波對(duì)數(shù)放大器的測(cè)角方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試簡(jiǎn)便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),縮短了角誤差信號(hào)的建立時(shí)間,適用于對(duì)測(cè)角響應(yīng)速度要求較高的制導(dǎo)系統(tǒng)。