一種寬帶小型化測(cè)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 亮，陳 坤，倪大海，寇小兵，尹紅波，張得才

(揚(yáng)州?？齐娮涌萍加邢薰?，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

在復(fù)雜的電子對(duì)抗環(huán)境里，雷達(dá)偵察系統(tǒng)的測(cè)向設(shè)備可以為我方人員提供敵方輻射源的方向信息，以引導(dǎo)自衛(wèi)干擾和機(jī)動(dòng)規(guī)避等戰(zhàn)術(shù)決策[1-4]。除此之外，在測(cè)向過程中，敵方輻射源信號(hào)的到達(dá)角信息是非瞬變參數(shù)，基本不受環(huán)境影響，所以可利用鎖定的到達(dá)角來分選信號(hào)。對(duì)于傳統(tǒng)的雷達(dá)偵察系統(tǒng)而言，通常方案是由幾種組件裝配而成的，各個(gè)組件需要獨(dú)立調(diào)試，工作頻段較窄、通道一致性差、集成度較低，很難滿足日益增長的電子偵察干擾系統(tǒng)的高集成度小型化需求。

本文介紹一種小型化寬帶測(cè)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能夠較為理想地滿足綜合電子戰(zhàn)的整機(jī)性能需求。同時(shí)，文中給出了測(cè)向系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)分析，論述了小型化設(shè)計(jì)以及寬頻帶設(shè)計(jì)。從最終的研制結(jié)果可以看出，所有參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，滿足了雷達(dá)偵察系統(tǒng)的任務(wù)需求。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)原理介紹

在偵察設(shè)備搜索工作中，敵方輻射源可能處于掃描狀態(tài)，如搜索雷達(dá)、處于掃描狀態(tài)下的跟蹤雷達(dá)以及邊掃描邊跟蹤的雷達(dá)，入射信號(hào)是低頻調(diào)制脈沖列。當(dāng)偵察設(shè)備掃過輻射源所在方位時(shí)，需要用己方的方向圖函數(shù)對(duì)入射脈沖列進(jìn)行調(diào)制，被偵收的脈沖包絡(luò)不再呈現(xiàn)對(duì)稱的高斯型分布，這時(shí)脈沖波形發(fā)生偏移，測(cè)角誤差增大。為了消除輻射源天線掃描調(diào)制引起的測(cè)量誤差，在原先定向接收支路A的基礎(chǔ)上(如圖1所示)增加1路全向接收支路B，該支路采用全方向天線，使得該支路與定向接收支路的增益保持平衡。

圖1 具有全向支路的測(cè)向系統(tǒng)

設(shè)偵收的輻射源信號(hào)為：

s(t)=F(t)A(t)cosωt

(1)

式中:F(t)為輻射源天線方向圖調(diào)制函數(shù)；A(t)為包絡(luò)函數(shù)；ω為輻射源信號(hào)載波頻率。

定向支路的視頻檢波對(duì)數(shù)放大器(DLVA)輸出電壓為：

UA=lg[KAF(t)A(t)FA(θ)]

(2)

式中:KA是定向支路增益；FA(θ)是定向天線方向圖函數(shù)。

全向支路的DLVA輸出電壓為：

UB=lg[KBF(t)A(t)]

(3)

式中：KB是全向支路增益。

此時(shí)兩路輸出電壓一起進(jìn)入邏輯電路進(jìn)行減法運(yùn)算，輸出為：

U0=UA-UB=lg[FA(θ)KA/KB]

(4)

由上式可知，引入全向支路消除了輻射源信號(hào)掃描調(diào)制和幅度變化對(duì)測(cè)角精度的影響。更進(jìn)一步，這種系統(tǒng)還可以用來一直偵察天線的旁瓣。如圖2所示，調(diào)整2路接收支路增益，當(dāng)定向天線用主瓣接收信號(hào)時(shí)，定向支路輸出的脈沖信號(hào)大于全向支路，通過邏輯電路判斷后，電路輸出脈沖信號(hào)；而當(dāng)定向天線的旁瓣接收信號(hào)時(shí)，定向支路輸出的脈沖信號(hào)小于全向支路，通過邏輯電路判斷后，電路無輸出脈沖信號(hào)。通過這種方案，可以一直偵察系統(tǒng)中天線旁瓣對(duì)測(cè)向的影響，增強(qiáng)主瓣測(cè)向精度。

圖2 通過全向支路抑制偵察天線旁瓣示意圖

微波接收組件是雷達(dá)系統(tǒng)的最重要部件之一，其一端連接天線，另一端連接中頻處理單元，構(gòu)成接收系統(tǒng)，功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、移相、衰減。它的性能直接影響整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)效果，現(xiàn)代有源相控陣?yán)走_(dá)的快速發(fā)展對(duì)微波組件的電性能、體積、重量提出了更高的要求, 尤其是機(jī)載、艦載、星載雷達(dá)中的微波組件，其體積、重量受到更嚴(yán)格的限制。

如圖3所示，接收前端是相同的4個(gè)獨(dú)立的定向接收通道以及1個(gè)單獨(dú)的全向接收通道集成在一起的共腔體結(jié)構(gòu)。定向天線將信號(hào)傳輸至接收前端中，信號(hào)在前端中分別經(jīng)過限幅放大、波控、多功能芯片以及合路器后進(jìn)入功分器，功分器的一路直接給測(cè)頻信號(hào)處理端，另一路經(jīng)過大動(dòng)態(tài)檢波對(duì)數(shù)視頻放大器(DLVA)檢波后輸入給測(cè)向信號(hào)處理端；全向天線將信號(hào)傳輸至接收前端后，直接經(jīng)過大動(dòng)態(tài)DLVA檢波后輸入給測(cè)向信號(hào)處理端，以此達(dá)到通過全向支路抑制偵察天線旁瓣的目的。

前端內(nèi)部都是采用單片微波集成電路(MMIC)，集成制作在同一塊多層電路基板上，接收通道分別提供獨(dú)立的幅度和相位控制。由于天線方向圖函數(shù)是天線口徑照射函數(shù)的傅里葉變換，因此在采用陣列天線后，通過改變陣列中各單元通道內(nèi)信號(hào)幅度與相位，即可改變天線方向圖函數(shù)或天線波束形狀。

圖3 測(cè)向系統(tǒng)示意圖

1.2 多功能芯片和波控芯片介紹

在微波組件中通常采用獨(dú)立的多位移相器和多位衰減器。通過多位低相移衰減器對(duì)射頻信號(hào)幅度進(jìn)行衰減，并通過多位移相器對(duì)射頻信號(hào)相位進(jìn)行搬移，然而無論是多位衰減器還是多位移相器，其不僅控制位多，需要擺放十幾個(gè)饋電絕緣子對(duì)器件進(jìn)行控制，電路布線占用面積大，邏輯控制復(fù)雜；而且級(jí)間匹配不好，容易導(dǎo)致移相精度以及衰減精度的惡化，因此需要進(jìn)行射頻調(diào)試以完成性能優(yōu)化。除此之外，相關(guān)的控制電路也非常復(fù)雜。因此，若是在1個(gè)微波組件內(nèi)有多個(gè)接收通道，其結(jié)果是體積大，裝配調(diào)試量大，一致性差，不利于小型化批量化生產(chǎn)。

為此，采用了多功能芯片和波控芯片組合方案來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。圖4所示為接收多功能芯片波控芯片集成示意圖。多功能芯片中接收輸入端Port2同放大器1輸入端連接，信號(hào)通過放大器1后進(jìn)入開關(guān)3中，通過開關(guān)3的切換，將信號(hào)切入六位移相器端，數(shù)控移相器由5.625°，11.25°，22.5°，45°， 90°，180°組成，實(shí)現(xiàn)5.625°～360°移相范圍。由于移相器的插損非常大，局部插損較大會(huì)影響鏈路噪聲系數(shù)，因此在移相器之后引入放大器2來抬高局部增益。信號(hào)經(jīng)過放大器2后進(jìn)入六位衰減器，數(shù)控衰減器按照0.5 dB、1 dB、2 dB、4 dB、8 dB以及16 dB的順序級(jí)聯(lián)而成，實(shí)現(xiàn)0.5～30 dB的衰減范圍。由于衰減器插損較大，和上述一樣的原理，需要引入放大器3來減少局部插損。最終信號(hào)依次通過開關(guān)2和開關(guān)1切入到后續(xù)的公共端中。由于多功能芯片內(nèi)部將移相器和多位衰減器分開放置，并且通過2級(jí)放大器對(duì)這2個(gè)器件進(jìn)行射頻隔離，優(yōu)化了移相精度以及衰減精度，具有很高的集成度和一致性。和多功能芯片組合使用的波控芯片，其內(nèi)部集成了譯碼功能，可以將串行控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行控制信號(hào)，以完成多功能芯片的控制功能，該波控芯片極大地簡化了控制電路。

傳統(tǒng)的射頻電路和控制電路通常采用分立器件進(jìn)行組合使用，這些分立器件不僅占用空間大，而且控制關(guān)系復(fù)雜。通過采用多功能芯片和波控芯片組合方案后，如圖4所示，多功能芯片所占空間僅為8 mm×8 mm，波控芯片所占空間僅為5 mm×2 mm，顯著縮小了射頻電路和控制電路尺寸。

圖4 多功能芯片和波控芯片集成示意圖以及實(shí)物照片

1.3 多層數(shù)?；靿喊褰榻B

本文中所有的器件均裝配在多層數(shù)模混壓板上，多層數(shù)?；靿喊宀捎没赏S線結(jié)構(gòu)，其底層為微波射頻板，上層為多層環(huán)氧板FR4，既保證了射頻電路的平面一體化設(shè)計(jì)，又可以實(shí)現(xiàn)邏輯控制信號(hào)和電源直流信號(hào)的垂直互聯(lián)；由于底層的微波射頻板采用基片集成同軸線結(jié)構(gòu)，具有高隔離、抗干擾以及高Q值的優(yōu)點(diǎn)；微波射頻板和環(huán)氧板FR4均可以使用電裝和微組裝混合裝配，具有很強(qiáng)的通用性。

為了保證系統(tǒng)的工作帶寬，在器件選型時(shí)均選擇大于組件的工作帶寬的元器件。寬帶電路的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在各種匹配設(shè)計(jì)上，比如組件加工裝配導(dǎo)致的高度不一致，芯片與電路板之間的縫隙等。這些位置采用了金絲互聯(lián)，為了減少金絲互聯(lián)引入的電感效應(yīng)，需要控制金絲長度在100 μm以內(nèi)，同時(shí)在跳絲鍵合處的微帶線上增加1塊調(diào)節(jié)枝節(jié)，形成分布電容以匹配金絲效應(yīng)[5]。

傳統(tǒng)的射頻控制電路中，通常采用玻璃絕緣子完成供電以及電路控制功能，然而一個(gè)多通道接收發(fā)送組件的供電以及控制需要上百個(gè)玻璃絕緣子，不利于組件小型化。通過采用多層數(shù)模混壓板技術(shù)，組件中的供電以及電路控制可以通過金絲互聯(lián)完成，相比傳統(tǒng)方案節(jié)省了大量空間。

1.4 大動(dòng)態(tài)DLVA介紹

DLVA的通常動(dòng)態(tài)范圍為30～40 dB，為滿足系統(tǒng)60 dB以上動(dòng)態(tài)范圍要求，采用擴(kuò)展動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的DLVA動(dòng)態(tài)擴(kuò)展設(shè)計(jì)采用兩級(jí)對(duì)數(shù)運(yùn)算放大器進(jìn)行檢波動(dòng)態(tài)拼接，由于其周邊偏置電路較為復(fù)雜，導(dǎo)致該方案裝配復(fù)雜，占用空間大。在本文中采用連續(xù)檢波對(duì)數(shù)視頻放大器(SDLVA)設(shè)計(jì)，周邊偏置電路簡單，占用空間小，有利于小型化。結(jié)合圖5，具體方法如下：輸入級(jí)首先通過超寬帶芯片功分器，將外界射頻信號(hào)等分為2路信號(hào)進(jìn)行檢波，2路檢波電壓最終通過運(yùn)算放大器進(jìn)行疊加，以完成動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。其中功分之后的第1路信號(hào)進(jìn)入放大鏈路，放大鏈路的構(gòu)成為多級(jí)低噪聲放大器、溫補(bǔ)衰減器和衰減器。第1路信號(hào)經(jīng)過放大后進(jìn)入第1級(jí)SDLVA進(jìn)行檢波。功分器輸出第2路信號(hào)，直接進(jìn)入第2級(jí)SDLVA進(jìn)行檢波，因?yàn)榇藭r(shí)其功率接近SDLVA的最小檢波靈敏度，其檢波輸出功率可以忽略。大動(dòng)態(tài)DLVA擴(kuò)展電路按照如上所述的增益配置，2段信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)無縫銜接，拼接成一整段信號(hào)，對(duì)數(shù)線性度滿足±3。

圖5 大動(dòng)態(tài)DLVA擴(kuò)展電路示意圖

在適當(dāng)?shù)那岸嗽鲆鏃l件下，平方率檢波系統(tǒng)的極限正切靈敏度Stmax[6]表示為：

Stmax=-114+NF+10lg(2BrBv+Bv2)0.5+10lg2.5

(5)

式中:Br是射頻帶寬;Bv是視頻帶寬;NF是鏈路噪聲系數(shù);G為鏈路增益；-114為1 MHz帶寬時(shí)基底噪聲功率。

正切靈敏度決定DLVA的動(dòng)態(tài)范圍的下限，而正切靈敏度實(shí)際上由以上參數(shù)決定。當(dāng)接收通道帶寬與視頻帶寬基本固定時(shí)，要得到期望的動(dòng)態(tài)范圍重點(diǎn)需要放在接收噪聲與射頻增益的處理上。射頻帶寬為12 000 MHz，視頻帶寬為50 MHz，當(dāng)噪聲系數(shù)在5 dB左右時(shí)，大動(dòng)態(tài)DLVA的理論極限正切靈敏度約為-76 dBm，滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖6所示，大動(dòng)態(tài)DLVA擴(kuò)展電路由2級(jí)SDLVA支路組成，動(dòng)態(tài)范圍超過60 dB。

圖6 大動(dòng)態(tài)DLVA擴(kuò)展電路實(shí)物照片

根據(jù)文獻(xiàn)可知，測(cè)向系統(tǒng)內(nèi)部噪聲會(huì)引起隨機(jī)誤差[7]，在四天線系統(tǒng)中，內(nèi)部噪聲引起的測(cè)向誤差Δφ[6]為：

(6)

式中：σS/N為信噪比；φ為入射角。

在入射角φ從0～45°的過程中，對(duì)于信噪比的要求越來越高。由公式可得出，如φ=0時(shí)，需要信噪比σS/N>11 dB；φ=45°時(shí)，需要信噪比σS/N>15 dB。

系統(tǒng)的靈敏度由帶寬和噪聲系數(shù)決定，靈敏度Smin[8]由下式表示：

Smin=-114 dBm+10lgB+NF+σS/N

(7)

式中：-114 dBm為噪聲基底；B為信號(hào)帶寬；FN為噪聲系數(shù)，σS/N為信噪比。

由軟件計(jì)算可得，鏈路噪聲系數(shù)FN約為5.5 dB。信號(hào)帶寬為12 000 MHz，系統(tǒng)Smin為-50 dBm時(shí)，根據(jù)計(jì)算得出σS/N約為17.7 dB，滿足測(cè)向誤差要求。

在傳統(tǒng)的大動(dòng)態(tài)DLVA方案中，需要采用分立器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)拼接，然而分立器件本身體積比較大，而且器件周圍匹配電路較為復(fù)雜，無法滿足小型化需求。本文采用了SDLVA大動(dòng)態(tài)組合方案，SDLVA不僅本身體積較小，而且周圍匹配電路較為簡單，所占空間約為傳統(tǒng)方案的一半，實(shí)現(xiàn)了組件小型化。

1.5 實(shí)物及測(cè)試結(jié)果

通過以上系統(tǒng)電路分析，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)結(jié)果如表1所示。

表1 最終測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1知，組件的主要技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過整機(jī)聯(lián)調(diào)、高低溫度沖擊、振動(dòng)沖擊以及電老煉等環(huán)境試驗(yàn)后，均能可靠工作，較好地滿足了系統(tǒng)的任務(wù)需求。如圖7所示，該電子偵察系統(tǒng)集成度高，體積小，重量輕。

圖7 小型化測(cè)向系統(tǒng)實(shí)物照片

2 結(jié)束語

面對(duì)越來越復(fù)雜的電子對(duì)抗環(huán)境，以及為了滿足系統(tǒng)小型化要求，本文引入集成了多位衰減器和多位移相器的多功能芯片和波控芯片以滿足小型化要求，指標(biāo)一致性高；采用多層數(shù)模混壓板，所有的器件均裝配在混壓板上，器件采用裸芯片，芯片之間采用金絲互聯(lián)導(dǎo)通，這樣既保證性能指標(biāo)，又節(jié)省空間，方便裝備生產(chǎn)；采用兩級(jí)SDLVA進(jìn)行動(dòng)態(tài)拼接，實(shí)現(xiàn)了60 dB以上的檢波動(dòng)態(tài)范圍，幅度一致性高。該系統(tǒng)已成功運(yùn)用在某新型電子系統(tǒng)中，可以預(yù)見基于上述設(shè)計(jì)理念的測(cè)向系統(tǒng)在機(jī)載和艦載等電子戰(zhàn)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。