陳 錕，代 兵，朱正平,藍(lán)加平

(中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，武漢 430074)

短波脈沖無線電掃頻雷達系統(tǒng)主要由天線、發(fā)射機、接收機和處理顯示單元等幾部分構(gòu)成，是目前地面垂直探測電離層的重要常規(guī)設(shè)備[1].接收機作為雷達處理回波信號的前端，其性能直接決定了雷達整機的參數(shù)性能指標(biāo)[2].

短波脈沖無線電掃頻雷達基于電離層對高頻電波(1～30MHz)產(chǎn)生折射、反射和散射作用,發(fā)射編碼脈沖對電離層進行探測[3].這決定了接收機必須在1～30MHz的頻帶內(nèi)掃頻工作,信號帶寬約為10～100kHz.接收機主要是由前級濾波器、射頻放大電路、混頻、中頻放大濾波器電路、解調(diào)及低通濾波器電路等組成[2].由于處在這個波段中的短波電臺、業(yè)余無線電及城市中一些通信設(shè)備等，給接收機帶來了較多的干擾并且日趨嚴(yán)重，因而接收機必須具有較強的抗干擾能力.

1 預(yù)選濾波器設(shè)計

現(xiàn)有的電離層探測儀接收機多采用了超外差結(jié)構(gòu)實現(xiàn)掃頻窄帶接收，但濾波效果并不理想，特別是對帶外強干擾的抑制能力不足[4].比如CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)采用了一個1～30MHz的無源寬帶帶通濾波器作為接收機的前級濾波，這樣無法有效地抑制帶外強干擾[5].DPS4D(Digisonde Portable Sounder 4D)采用了壓控調(diào)諧濾波器，可以有效地濾除帶外強干擾及雜波信號[6]，但是由于采用了有源器件，濾波器對接收機的噪聲、靈敏度、動態(tài)范圍等指標(biāo)都帶來不良的影響.

鑒于以上原因，在現(xiàn)有接收機前端加入分段無源濾波器，可以更好的抑制帶外強干擾,提高接收機性能.將濾波器分為1～2MHz，2～4MHz,4～8MHz,8～14MHz,14～20MHz,20～30MHz共6段來覆蓋1～30MHz頻段.如圖1所示.

圖1 預(yù)選濾波器結(jié)構(gòu)圖

(1)

由于天線和接收機的匹配阻抗為50 Ω，如果直接以50 Ω的阻抗來設(shè)計濾波器，取中心頻率為20 MHz，3 dB帶寬為4 MHz時,根據(jù)公式(1)可以求出電感感值為8.8 nH，且頻率越高電感的精度也要求越高，由于感值偏低在實際制作時感量與精度均難以實現(xiàn).為了降低電感的制作難度，通過1∶16阻抗變換將50 Ω匹配阻抗變換為800 Ω來設(shè)計并聯(lián)諧振濾波器.

在預(yù)選濾波器的輸入端，采用抽頭電感部分接入法來實現(xiàn)50 Ω到800 Ω的阻抗變換.在濾波器的輸出端采用4∶1的變壓器實現(xiàn)800 Ω到50 Ω的阻抗變換.抽頭電感即作為諧振電感又實現(xiàn)阻抗變換.抽頭電感的阻抗變換公式為：

(2)

N12，N13為輸入輸出端的電感匝數(shù).

由于濾波器后級放大電路的高增益，即使接入預(yù)選濾波器，當(dāng)存在帶外強干擾時也可能導(dǎo)致后級電路飽和不能正常工作.根據(jù)后級電路的要求，濾波器輸出幅度要保證在1 μV～10 mV范圍內(nèi)，因此在濾波器后加入程控?zé)o源衰減器DAT-31R5-PP+.其衰減調(diào)節(jié)范圍為0.5～31.5 dB，步進0.5 dB.通過檢測輸出信號的有效值計算衰減倍數(shù)，調(diào)節(jié)衰減器衰減，控制濾波器輸出信號幅度，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié).若衰減幅度不夠，還可以通過級聯(lián)擴大衰減調(diào)節(jié)范圍.

該預(yù)選濾波器的電路圖如圖2所示.

圖2 預(yù)選濾波器電路圖

電路前端通過PLP30(1～30MHz的寬帶帶通濾波器)抑制工作頻帶外的干擾.6段無源并聯(lián)諧振電路使接收機窄帶工作時增強其帶外強干擾的抑制能力提高其靈敏度、信噪比.控制器根據(jù)工作頻率控制濾波器的段選以及通過檢測濾波器的輸出幅度來完成對衰減器的控制.

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2 預(yù)選濾波器的實現(xiàn)

2.1 器件的選擇

對于模擬無源濾波器，器件本身的特性參數(shù)直接影響濾波器的性能，因此器件的選型及制作關(guān)系到濾波器的工作參數(shù)及最后濾波器的實際輸出效果.

2.1.1 選通開關(guān)的選擇

該設(shè)計的選通開關(guān)采用了Omron G6K-2P型號的繼電器，相比電子開關(guān)其導(dǎo)通阻抗小，僅為0.1 Ω，隔離度高且為無源器件不易引入噪聲.

2.1.2 抽頭電感的制作

電路中電容可利用標(biāo)準(zhǔn)電容并聯(lián)實現(xiàn)，但抽頭電感并不是標(biāo)準(zhǔn)型號，需要自己制作.

根據(jù)公式(3)求得諧振電感的圈數(shù)，根據(jù)公式(2)計算得到的兩個線圈的比值1∶3就可以繞出濾波器所需要的抽頭電感[7].

(3)

其中μ0為真空磁導(dǎo)率，μs為磁芯的相對磁導(dǎo)率，空心線圈時μs=1，N2為線圈圈數(shù)的平方，S為線圈的截面積，單位為m2，L線圈的長度， 單位為m，k=0.96，它取決于線圈的半徑R與長度L的比值.表1為實際制作的濾波器電容及電感的具體參數(shù).

表1 濾波器器件參數(shù)

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，前兩段采用中周的骨架，并在骨架中插入一根鐵氧體磁芯，后面4段都采用空心繞法，其中最后2段的電感橫截截面積較小.

輸出級的變壓器采用雙孔射頻磁芯RID3×2×5×H1.25做骨架，用漆包線繞成，變壓器變比4∶1，結(jié)合繞制變壓器的實際情況及在濾波器調(diào)諧過程中得到的實驗結(jié)果，選擇匝數(shù)比為12∶3，匹配輸出阻抗50 Ω.

2.2 預(yù)選濾波器的調(diào)試

當(dāng)濾波器完成后，需要測量其特性參數(shù)，根據(jù)測量結(jié)果適當(dāng)微調(diào)，直到滿足設(shè)計要求.諧振頻率發(fā)生偏移時，通過并聯(lián)電容的方式來微調(diào)電容的容值，而不必調(diào)整電感.當(dāng)調(diào)整電容效果不明顯時，則可能電感繞制出現(xiàn)問題，也可能是中周的磁芯松動改變了位置引起的，這時要重新繞制電感或者將磁芯重新固定.

在測量時如果濾波器的差損太大，Q值很小，通常情況下這種現(xiàn)象是由電感的問題引起的，需要重新繞制電感.

3 結(jié)果及分析

濾波器實際電路使用SP30120型數(shù)字合成掃頻儀進行測量并與仿真結(jié)果(Cadence Or Cad仿真)進行比較.比較結(jié)果如圖3所示.

其中(a)為仿真結(jié)果，(b)為通過掃頻儀得到的6段預(yù)選濾波器的實際幅頻特性曲線.從實際測量結(jié)果可以看出：第1、2、3段濾波器與仿真結(jié)果基本一致，第4段帶寬增寬3%，第5、6段濾波器的帶寬增寬3.7 %，差損增大變?yōu)?.4 dB.從兩圖的比較結(jié)果可以看出，在低頻段時仿真結(jié)果與實際測量值接近，但隨著頻率的升高濾波器的帶寬增寬，Q值變小，濾波器的差損變大.這種現(xiàn)象主要是由漏感、磁芯損耗、輻射以及電路中存在的寄生電容等因素造成的.

用TFG3150L DDS函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生2MHz和6MHz的混疊信號，并將信號輸入到濾波器中，在濾波器的輸出端接入DSA1020型頻譜分析儀，對濾波器的帶外干擾抑制能力進行測試，結(jié)果如圖4所示，其中(a)為濾波器輸入信號的頻譜分析，其中左邊第1個主峰為2MHz的帶外干擾，第2個主峰為6MHz的帶內(nèi)信號，帶外干擾比帶內(nèi)信號的強度高.(b)為信號經(jīng)過濾波器后的頻譜分析，從圖中的可以看出，經(jīng)過濾波器后2MHz的帶外干擾被衰減20.23dB，而帶內(nèi)信號的損耗為2.44dB.從兩圖的比較結(jié)果可以看出預(yù)選濾波器可以有效的抑制帶外強干擾.

將該預(yù)選濾波器加入到CADI的前端，并對電離層進行探測，得到加入預(yù)選濾波器前后可對比的頻高圖，如圖5所示.從圖中A區(qū)域可以看出在未加入預(yù)選濾波器前頻高圖軌跡斷開，而加入預(yù)選濾波器后軌跡連續(xù).這是由于在這個頻點的強干擾，在未加入預(yù)選濾波器時使后級電路飽和，接收機無法測得有效的回波，加入預(yù)選濾波器后強干擾的得到抑制從而能夠?qū)⒂杏眯盘柼崛〕鰜?從B區(qū)域可以看出，在加入濾波器后雷達系統(tǒng)得到的信息更豐富，一些微弱信號也能夠測量得到.通過圖5中(a)、(b)兩圖比較可以看出在加入濾波器后提高了接收機的信噪比、靈敏度和抑制帶外強干擾的能力，改善了雷達的性能.通過實際測量結(jié)果的分析，該濾波器達到了預(yù)期的結(jié)果.

(a)仿真結(jié)果 (b)實際測量值

(a)輸入信號頻譜分析 (b)輸出信號頻譜分析

(a)未加入預(yù)選濾波器 (b)加入預(yù)選濾波器后

4 結(jié)束語

隨著各種短波波段無線電設(shè)備的大量應(yīng)用，導(dǎo)致了無線電污染日趨嚴(yán)重[8].短波掃頻雷達面臨的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，各種強干擾也隨之產(chǎn)生.這就要求短波掃頻雷達具有較強的抗強干擾的能力，通過以上實驗結(jié)果可以看出，預(yù)選無源濾波器可以在不引入額外噪聲的條件下，提高接收機的帶外強干擾的抑制能力，從而提高信噪比、靈敏度等參數(shù)，能夠增強接收機面對復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)能力.

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