劉躍龍

(上海無線電設(shè)備研究所,上海200090)

0 概述

現(xiàn)代和未來戰(zhàn)爭對近炸引信的要求越來越高,尤其是對其抗干擾能力、精確定距和抗隱身能力以及經(jīng)濟性等諸方面要求更為嚴(yán)格[1]。在這種環(huán)境下,新型引信也必將會應(yīng)運而生,其中,沖激引信就是很有潛力的一種,沖激引信技術(shù)基于脈沖雷達測距原理,但它與傳統(tǒng)的脈沖雷達之間有著本質(zhì)區(qū)別。它所發(fā)射脈沖寬度極窄,通常在ns級且不借助任何載波就能輻射。時域里的極窄脈沖對應(yīng)頻域里的極寬頻譜,所以沖激引信技術(shù)亦屬于超寬帶技術(shù),而超寬帶技術(shù)在國際上被認(rèn)為是下一世紀(jì)電子與雷達系統(tǒng)的一個主要發(fā)展趨勢。沖激引信發(fā)射信號的超寬帶特性及在系統(tǒng)中采取的相應(yīng)技術(shù)措施使其具有一系列重要技術(shù)特點:良好的抗有源干擾性能、潛在的抗隱身功能、高精度定距功能、體積小、重量輕、功耗低、性價比高[2]。

美國在超寬帶通訊和雷達方面開展了大量研究并取得了很大進展。美國國防部把沖激雷達引信技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展的項目之一,目前已經(jīng)成功研制出火箭彈、航彈、導(dǎo)彈子彈、40mm榴彈等武器系統(tǒng)的沖激引信。從事沖激雷達引信研究的單位有勞倫斯.利弗莫爾實驗室等。

國內(nèi)有多家單位進行了對地、對空沖激引信研究,并取得了較大的進展。

以紅外制導(dǎo)為主的精確制導(dǎo)導(dǎo)彈,對引信的需求是有優(yōu)良的抗干擾能力、全天候作戰(zhàn)能力、較好的抗隱身功能、距離銳截止功能,以及體積小、重量輕、功耗低、性價比高。激光引信具有優(yōu)良的抗有源干擾能力、較好的抗隱身功能、體積較小及重量較輕等功能,受到軍方的重視,但激光引信容易受云、霧、雨、雪、光等自然干擾,存在全天候作戰(zhàn)能力不強以及成本偏高(尤其是對于便攜式導(dǎo)彈)等缺點,而前述沖激引信的特點正好滿足精確制導(dǎo)導(dǎo)彈需求,因此適用于精確制導(dǎo)導(dǎo)彈引信。

1 工作原理

沖激引信要求發(fā)射的極窄脈沖脈寬通常小于1 ns,因此發(fā)射部分的關(guān)鍵在于如何產(chǎn)生脈寬極窄的脈沖。針對接收信號是時域的窄脈沖,接收電路則采用超寬帶接收機[3],確認(rèn)目標(biāo)的存在后,產(chǎn)生啟動信號。沖激引信系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示。

引信系統(tǒng)由發(fā)射單元和接收單元組成,具體由收發(fā)分開天線、功分器、超窄脈沖產(chǎn)生器、脈沖整形電路、時序電路、接收開關(guān)、低噪聲放大器、超寬帶接收機及信號處理電路等組成。

采用天線收發(fā)分開有利于收發(fā)隔離,有利于達到較大的作用距離。天線尺寸與頻率密切相關(guān),天線尺寸不能太大,因此頻率不能太低。

發(fā)射單元產(chǎn)生脈沖寬度小于1 ns的超窄脈沖串,并通過共形天線發(fā)射出去?；夭ㄐ盘柦?jīng)收發(fā)分開的共形接收天線接收,接收信號經(jīng)接收開關(guān)和低噪聲放大器放大后進入超寬帶接收機,超寬帶接收機對回波信號進行相關(guān)處理,具體為經(jīng)脈沖整形的前后沿極陡的脈沖與回波脈沖進行相關(guān),對運動目標(biāo)可產(chǎn)生低頻交流信號,從而可通過低通、放大、帶通濾波(濾掉雜波分量),以及信號處理電路和啟動電路產(chǎn)生引信啟動信號。

2 關(guān)鍵技術(shù)

對空沖激引信關(guān)鍵技術(shù)主要有與防空導(dǎo)彈彈體共形的超寬帶天線技術(shù)、超窄脈沖產(chǎn)生器技術(shù)和基于超寬帶雷達動目標(biāo)檢測原理的匹配接收機技術(shù)。

2.1 與防空導(dǎo)彈彈體共形的超寬帶天線技術(shù)

與防空導(dǎo)彈彈體共形的超寬帶天線,可采用微帶饋線縫隙天線[4]。一般的縫隙天線帶寬為10%左右,為了展寬帶寬可以將縫隙寬度變大,然而隨著縫隙寬度的逐漸增大,縫隙的輻射阻抗也就相應(yīng)增加,這將直接導(dǎo)致縫隙與微帶饋源的阻抗失配。因此,可設(shè)計十字形饋元結(jié)構(gòu),這將有利于天線方向圖的穩(wěn)定性,有利于展寬天線的帶寬。寬帶縫隙微帶天線的基片為高介電常數(shù)的介質(zhì),正面為在金屬鍍層上開了一個介質(zhì)窗口,用于發(fā)射脈沖信號,整個反面為介質(zhì)面但有一個十字饋線,具有方向性較好、增益較高等優(yōu)點,且能與導(dǎo)彈共型,如圖2所示。

圖2 平面天線示意圖

由于天線工作頻率低,波長長,而天線尺寸又小,必須采用高介電常數(shù)的基片,而高介電常數(shù)的基片非常硬,難以彎曲,為了達到與圓柱形彈體共形的目的,必須采用特殊的加工工藝,難度大,成本高,在彎曲面上進行微帶電路加工難度也很大,可采用最新軟性材料研制的平面高介電常數(shù)的基片,電路作好后可以彎曲,從而與彈體共形。由于軟性材料還是有相當(dāng)硬度的,用手工彎曲易使天線產(chǎn)生裂紋,影響天線性能,可改進裝配工藝以解決天線彎曲易產(chǎn)生裂紋的問題,從而解決天線共形問題。

2.2 基于階躍恢復(fù)二極管的超窄脈沖產(chǎn)生器技術(shù)

沖激引信為達到精確定距、抗干擾和抗隱身技術(shù)等要求,其窄脈沖寬度應(yīng)選在不大于1 ns。要產(chǎn)生這樣的窄脈沖,且要求波形好、振鈴小,擬采用階躍二極管產(chǎn)生脈沖的技術(shù)。這樣可直接利用彈上電源,在較低電源電壓下工作,不必采用高壓變換,以減小引信體積。

階躍恢復(fù)二極管利用大的存儲時間獲得大的輸出幅度,利用小的暫態(tài)時間獲得快速變化的波形,產(chǎn)生的超窄脈沖幅度大、邊沿陡。

一種基于CPLD和階躍恢復(fù)二極管的超窄脈沖產(chǎn)生器原理框圖如圖3所示,基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生器可由基于CPLD的時序電路產(chǎn)生[5],時序電路除產(chǎn)生基準(zhǔn)脈沖外還為整個系統(tǒng)提供接收時序脈沖。基準(zhǔn)脈沖通過脈沖放大電路進行放大,再通過驅(qū)動電路產(chǎn)生有較大電流驅(qū)動能力的較大幅度脈沖,作用于階躍恢復(fù)二極管,產(chǎn)生邊沿陡峭的脈沖,再將該邊沿陡峭的脈沖經(jīng)延時并反向后與未延時的脈沖合成,就能產(chǎn)生超窄脈沖。沖激脈沖可以是單極性脈沖,也可以是雙極性脈沖。

圖3 超窄脈沖產(chǎn)生器原理框圖

根據(jù)原理框圖3設(shè)計出一種電路,產(chǎn)生出超窄單極性脈沖,測試脈寬為0.6 ns幅度約為12.6 V。

2.3 基于超寬帶雷達動目標(biāo)檢測原理的匹配接

收機技術(shù)

沖激引信超寬帶接收機原理框圖,如圖4所示。

目標(biāo)回波信號經(jīng)收發(fā)分開的共形接收天線接收,接收回波信號經(jīng)低噪聲放大器放大后進入超寬帶接收機,超寬帶接收機對回波信號進行相關(guān)處理,具體為經(jīng)脈沖整形的前后沿極陡的脈沖與回波脈沖進行相關(guān)處理,根據(jù)超寬帶雷達動目標(biāo)檢測原理,對運動目標(biāo)可產(chǎn)生低頻交流信號,從而可通過低通、放大、帶通濾波(濾掉雜波分量),以及信號處理電路和啟動電路產(chǎn)生引信啟動信號。

圖4 超寬帶匹配接收機原理框圖

該項技術(shù)的關(guān)鍵在于寬帶相關(guān)器設(shè)計、脈沖整形、以及超寬帶接收電路印制板設(shè)計。

3 原理樣機與試驗驗證

根據(jù)原理框圖1可研制出一種小型化原理樣機,經(jīng)1∶1低速模擬試驗場1∶1試驗證明,引信可在一定距離范圍內(nèi)全方位探測目標(biāo),對于長空1號靶機,引信作用距離可達到7m以上,且無盲區(qū)。試驗圖片如圖5和圖6所示。

圖5 長空靶機1∶1試驗1

圖6 長空靶機1∶1試驗2

沖激引信原理樣機還在某重點試驗室進行了室內(nèi)(電波暗室)抗干擾試驗,目的是檢驗引信的抗有源干擾的能力。

(1)測試引信靈敏度

引信加電,在引信天線前方6m揮動小鋁板模擬目標(biāo)回波,經(jīng)試驗證實小鋁板的反射與實際目標(biāo)反射相仿,此時引信能夠正常啟動。

(2)測試引信發(fā)射頻譜

引信置于暗室中的桌上,引信天線正前方5 m為干擾天線,可接收引信發(fā)射信號,引信加電,干擾機柜的測試儀器可測出引信頻譜。由引信發(fā)射脈沖頻譜可知,發(fā)射信號具有典型的超寬帶特征。

(3)抗干擾性能測試

干擾機以發(fā)射頻譜的最大譜值對應(yīng)頻率為中心頻率分別對引信施加噪聲調(diào)幅、噪聲調(diào)頻、鋸齒波調(diào)幅、正弦調(diào)頻和掃頻干擾,試驗證明,在已知引信的工作頻率范圍并實施針對性的干擾時,沖激引信的抗干擾性能與目前抗干擾性能比較先進的其它類型引信(如0/π調(diào)相PD引信)相當(dāng),特別是沖激引信發(fā)射脈沖窄,頻譜寬,抗偵察能力強,一般的干擾機均無法偵察到超窄脈沖信號,很難實施有針對性的干擾。

4 結(jié)論

沖激引信的研制主要需攻克超窄脈沖產(chǎn)生器技術(shù)、引信超寬帶接收及信號處理技術(shù)和與導(dǎo)彈彈體共形的超寬帶天線技術(shù);通過原理樣機的研制和試驗,證明引信可在一定距離范圍內(nèi)全方位探測目標(biāo),對于長空1號靶機,引信作用距離可達7 m以上,且無盲區(qū),并具有優(yōu)良的抗干擾性能。沖激引信將為新一代防空導(dǎo)彈引信提供技術(shù)儲備,適用于精確制導(dǎo)導(dǎo)彈引信。

[1] 施榮.國外導(dǎo)彈引信技術(shù)的最新發(fā)展[J].國防科技期刊,2007.

[2] 程受浩,等.高精度沖激引信技術(shù)[J].制導(dǎo)與引信,1999.

[3] 劉躍龍.沖激引信研究[C].青島引信年會論文集,2005.

[4] YW Jang.Broadband Cross-shaped M icrostrip-fed Antenna[J].Electronics Letters,2000,7(12):2057-2058.

[5] 徐志軍,等.CPLD和FPGA的開發(fā)與應(yīng)用[J].電子工業(yè)出版社,2002.