支 敏,張 暉
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所,江蘇無(wú)錫214035)
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一種基于比幅比相的單脈沖雷達(dá)接收機(jī)
支敏,張暉
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所,江蘇無(wú)錫214035)
摘要:根據(jù)和差單脈沖雷達(dá)接收機(jī)原理,設(shè)計(jì)了一款基于和差波束比幅比相的S波段跟蹤接收機(jī)。該接收機(jī)主要由和波束接收支路、方位差波束接收支路和俯仰差波束接收支路組成,每個(gè)接收支路分別完成對(duì)信號(hào)的放大、濾波、混頻和自動(dòng)電平調(diào)整。兩路差波束信號(hào)再以和波束信號(hào)作為比較基準(zhǔn),通過(guò)相位和幅度的比較得出角度信息。詳細(xì)分析了如何實(shí)現(xiàn)支路之間的相位比較和幅度比較,并利用比幅信息和比相信息實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞:?jiǎn)蚊}沖;自動(dòng)增益控制;鑒幅;鑒相
單脈沖雷達(dá)是一種精密跟蹤雷達(dá)。它每發(fā)射一個(gè)脈沖,天線(xiàn)能同時(shí)形成若干個(gè)波束,將各波束回波信號(hào)的振幅和相位進(jìn)行比較,當(dāng)目標(biāo)位于天線(xiàn)軸線(xiàn)上時(shí),各波束回波信號(hào)的振幅和相位相等,信號(hào)差為零;當(dāng)目標(biāo)不在天線(xiàn)軸線(xiàn)上時(shí),各波束回波信號(hào)的振幅和相位不等,產(chǎn)生信號(hào)差,驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)轉(zhuǎn)向目標(biāo)直至天線(xiàn)軸線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo),這樣便可測(cè)出目標(biāo)的高低角和方位角,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。
2.1天線(xiàn)饋電單元
單脈沖雷達(dá)接收機(jī)通常由4個(gè)天線(xiàn)饋電單元與3個(gè)接收支路組成。圖1所示是經(jīng)典的4天線(xiàn)和差波束組成圖。
在接收目標(biāo)雷達(dá)的回波信號(hào)時(shí),4個(gè)天線(xiàn)饋電單元經(jīng)過(guò)射頻和差橋結(jié)網(wǎng)絡(luò)形成5個(gè)接收波束。其中1個(gè)為和波束,由4個(gè)天線(xiàn)饋電單元的接收信號(hào)全部相加而成,其中心軸即天線(xiàn)的瞄準(zhǔn)軸。和波束的接收信號(hào)經(jīng)和支路接收機(jī)放大、濾波以后,用以提供測(cè)角的比較基準(zhǔn)。
圖1 四喇叭和差電路示意圖
處于同一水平面上的兩個(gè)波束為方位測(cè)角波束,其形狀相同,與瞄準(zhǔn)軸左右對(duì)稱(chēng)排列,以一定角度重疊。另兩個(gè)為仰角測(cè)角波束,處于同一個(gè)垂直平面上(與方位波束垂直),也是形狀相同,與瞄準(zhǔn)軸上下對(duì)稱(chēng)排列,以一定角度重疊。兩個(gè)方位波束接收的信號(hào),經(jīng)和差橋結(jié)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行幅度相減,取得方位角差信號(hào)。當(dāng)天線(xiàn)瞄準(zhǔn)軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí),兩個(gè)方位波束接收的信號(hào)幅度相同,其差信號(hào)為零。當(dāng)目標(biāo)在方位上偏離天線(xiàn)瞄準(zhǔn)軸時(shí),兩個(gè)方位波束接收的信號(hào)幅度不同,就有幅度差信號(hào)輸出,稱(chēng)為方位差信號(hào)。這個(gè)差信號(hào)經(jīng)方位差支路接收機(jī)放大、濾波以后與和波束進(jìn)行幅度和相位比較,產(chǎn)生方位誤差信號(hào),誤差信號(hào)大小與目標(biāo)偏離旋轉(zhuǎn)軸的角度成比例,極性決定于偏離的方向。誤差信號(hào)送到天線(xiàn)控制系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)向減小方位誤差信號(hào)的方向轉(zhuǎn)動(dòng),直到瞄準(zhǔn)軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo),方位誤差信號(hào)為零時(shí)天線(xiàn)停止轉(zhuǎn)動(dòng),從而使天線(xiàn)在方位上精確地跟蹤目標(biāo)。2個(gè)仰角波束和仰角差接收支路的工作情況與方位差支路類(lèi)似。圖2為和差波束的幅度波束示意圖。
圖2 天線(xiàn)和差波束幅度示意圖
如圖2所示,中間的橫軸零點(diǎn)就是對(duì)應(yīng)天線(xiàn)瞄準(zhǔn)軸,在此位置時(shí),和波束幅度最強(qiáng),差波束幅度最小,和差波束幅度差達(dá)到最大值;當(dāng)目標(biāo)向瞄準(zhǔn)軸兩側(cè)偏時(shí),和差波束的幅度差值越來(lái)越小,直至偏出作用范圍。至于目標(biāo)偏在瞄準(zhǔn)軸的左側(cè)還是右側(cè),則由和差波束的相位比較值得出。
2.2接收支路
3個(gè)接收支路主要完成信號(hào)的放大、濾波,并將信號(hào)進(jìn)行下變頻到中頻頻段,以便進(jìn)行鑒幅鑒相處理。
其中的和波束接收支路在整個(gè)處理中作為鑒幅鑒相的比較基準(zhǔn),在前端進(jìn)行一系列的放大、濾波、混頻后,在中頻頻段進(jìn)行自動(dòng)增益控制,使其輸出信號(hào)的功率控制在一個(gè)固定電平上,并輸出一個(gè)電平控制電壓給另外兩個(gè)差波束支路,以便調(diào)節(jié)差波束支路的增益。
差波束的前端電路與和波束相同,在完成放大、濾波和混頻后,進(jìn)入壓控增益放大電路,增益控制電壓來(lái)自和波束支路的增益控制電路。
3個(gè)接收支路主要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是:3個(gè)支路的第一級(jí)必須采用高增益的低噪聲放大器,確保鏈路的低噪聲系數(shù)以獲得較高的接收靈敏度。和波束支路應(yīng)有盡可能高的增益,差波束支路應(yīng)有盡可能高的斜率和增益,3個(gè)支路要保持一定的相位一致性和幅度一致性,并適當(dāng)考慮旁瓣電平、零值深度、零點(diǎn)漂移、阻抗、帶寬和極化特性諸因素。圖3是典型的單脈沖和差波束接收支路原理框圖。
我們針對(duì)S波段單脈沖雷達(dá)的信號(hào)特征,設(shè)計(jì)了一款S波段單脈沖雷達(dá)接收機(jī)。主要還是由和波束接收支路和兩個(gè)差波束接收支路組成。
3.1和波束接收支路
和波束接收支路原理圖見(jiàn)圖4。
為了防止空間中有瞬時(shí)大信號(hào)出現(xiàn),每個(gè)支路的第一級(jí)都加入了限幅器,這樣可以保證輸入給放大器的信號(hào)在一定的功率范圍內(nèi),不至于因信號(hào)功率過(guò)大而燒毀器件。我們選用的限幅器型號(hào)是MINI公司的RLM-63-2W+,它可以在輸入信號(hào)最大為32 dBm的情況下,保證輸出信號(hào)的功率小于12 dBm。另外,它的插損只有0.3 dB,不會(huì)對(duì)整個(gè)鏈路的噪聲系數(shù)產(chǎn)生過(guò)大的影響。
限幅器的后面是兩級(jí)級(jí)聯(lián)低噪聲放大器,選用Hittite公司生產(chǎn)的HMC462LP5,兩級(jí)級(jí)聯(lián)后可以提供26 dB以上的增益,而噪聲系數(shù)只有2.5 dB。
圖3 單脈沖和差波束接收支路原理框圖
圖4 和波束接收支路
在兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器后是從合肥博侖公司定制的射頻帶通濾波器,主要目的是把帶外信號(hào)濾除掉,防止有別的無(wú)用信號(hào)進(jìn)入后級(jí)的混頻器,從而產(chǎn)生非線(xiàn)性響應(yīng)。
放大濾波后的射頻信號(hào)進(jìn)入混頻器,選用合適的本振信號(hào)將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到500 MHz以?xún)?nèi)的中頻信號(hào)。我們選用Hittite公司的混頻器HMC213。再結(jié)合定制的中頻帶通濾波器,就可以得到想要的中頻信號(hào)了。
混頻濾波后的中頻信號(hào)最后進(jìn)入自動(dòng)增益控制電路AD8367,在45 dB的功率范圍內(nèi),都將輸出0 dBm左右的穩(wěn)定功率,從而可以給最終的鑒相鑒幅電路提供穩(wěn)定的比較基準(zhǔn)。
我們?cè)O(shè)計(jì)的接收靈敏度可以達(dá)到-90 dBm,動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到50 dB以上。圖5和圖6分別是鏈路工作在最小增益和最大增益時(shí)的參數(shù)。
圖5 最小增益時(shí)的參數(shù)設(shè)計(jì)
圖6 最大增益時(shí)的參數(shù)設(shè)計(jì)
從圖5可以看出,當(dāng)鏈路輸入信號(hào)較強(qiáng)時(shí),進(jìn)入自動(dòng)增益控制電路的中頻信號(hào)就比較大,這時(shí)ACG電路就會(huì)調(diào)節(jié)自身的增益到最小值,以使輸出信號(hào)控制在0 dBm。
從圖6可以看出,當(dāng)鏈路輸入信號(hào)較弱時(shí),進(jìn)入自動(dòng)增益控制電路的中頻信號(hào)就比較小,這時(shí)ACG電路就會(huì)調(diào)節(jié)自身的增益到最大值,以使輸出信號(hào)控制在0 dBm。
3.2差波束接收支路
差波束接收支路原理圖見(jiàn)圖7。
圖7 差波束接收支路原理圖
差波束接收支路的電路構(gòu)成與和波束接收支路基本一致,唯一不同在于最后一級(jí)電路的用法。在和波束接收支路中,最后一級(jí)電路AD8367被設(shè)置成自動(dòng)增益控制,它根據(jù)自身接收到的信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)增益,并輸出一個(gè)增益控制電壓。在差波束接收支路中,最后一級(jí)也是選用AD8367,但它被設(shè)置成壓控增益電路,自身增益通過(guò)和波束接收支路輸出的增益控制電壓來(lái)控制,從而達(dá)到和差波束接收支路的增益平衡。
4.1自動(dòng)增益電路
在通信、導(dǎo)航、遙測(cè)遙控等無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中,由于受發(fā)射功率大小、收發(fā)距離遠(yuǎn)近、無(wú)線(xiàn)電波傳播衰落等各種因素的影響,接收機(jī)所接收的信號(hào)強(qiáng)弱變化范圍很大,信號(hào)強(qiáng)度的變化可能相差幾十分貝,如果電路增益不變,則信號(hào)太強(qiáng)時(shí)會(huì)造成接收機(jī)的飽和或阻塞,甚至使接收機(jī)損壞,而信號(hào)太弱時(shí)又可能被丟失。因此,在接收微弱信號(hào)時(shí),希望接收機(jī)有很高的增益,而在接收強(qiáng)信號(hào)時(shí),接收機(jī)的增益應(yīng)該減小一些。這種要求靠人工增益控制來(lái)實(shí)現(xiàn)是困難的,必須采用自動(dòng)增益控制電路,使接收機(jī)的增益隨輸入信號(hào)強(qiáng)弱而自動(dòng)變化。
我們?cè)趩蚊}沖雷達(dá)接收機(jī)中使用的是ANALOG公司的可變?cè)鲆娣糯笃鰽D8367,通過(guò)控制芯片的模式選擇管腳,可以實(shí)現(xiàn)和波束接收支路需要的自動(dòng)增益控制功能和兩路差波束接收支路需要的壓控增益放大器功能。圖8是AD8367的功能框圖。
圖8 AD8367功能框圖
AD8367是一款高性能45 dB可變?cè)鲆娣糯笃?。在芯片的輸入?jí)集成了一個(gè)9階電阻網(wǎng)絡(luò),每階可提供5 dB的衰減。當(dāng)芯片工作在最大增益時(shí),9階電阻網(wǎng)絡(luò)被短接跳過(guò);當(dāng)工作在最小增益時(shí),9階電阻衰減網(wǎng)絡(luò)被全選。在電阻網(wǎng)絡(luò)之后是一個(gè)有42.5 dB固定增益的中頻放大器,它和電阻網(wǎng)絡(luò)組合在一起可以提供-2.5~+42.5 dB的增益控制范圍。在放大器輸出端并接著一個(gè)平方律檢波器,可以將放大器輸出電壓的功率值轉(zhuǎn)換為電壓值,并直接去控制gian腳,從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的AGC閉環(huán)。
增益控制輸入端GAIN(5引腳)接收來(lái)自AGC檢波器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器的控制電壓,增益控制電壓范圍為50~950 mV。當(dāng)芯片配置在自動(dòng)增益模式時(shí)(對(duì)應(yīng)gain down模式),電壓越小,增益越大;當(dāng)芯片配置在壓控增益模式時(shí)(對(duì)應(yīng)gain up模式),電壓越大,增益越大。增益控制的斜率為20 mV/dB。
在和波束接收支路中,信號(hào)經(jīng)放大、濾波、混頻后變?yōu)橹蓄l信號(hào),進(jìn)入AD8367。在此支路上,AD8367被設(shè)為自動(dòng)增益模式,不同功率大小的輸入信號(hào)經(jīng)AD8367后輸出一個(gè)功率穩(wěn)定的中頻信號(hào),在此設(shè)為-11 dBm。同時(shí),在芯片的gain腳,產(chǎn)生一個(gè)與實(shí)際增益對(duì)應(yīng)的控制電壓,去控制兩路差波束接收支路的壓控增益放大器AD8367。
在差波束接收支路中,信號(hào)一開(kāi)始的處理與和波束一樣,放大、濾波、混頻后變?yōu)橹蓄l信號(hào),進(jìn)入AD8367。在差波束接收支路上,AD8367被設(shè)為壓控增益放大模式,增益控制電壓來(lái)自和波束接收支路的AGC芯片輸出電壓,這樣可以確保3路接收支路的AD8367芯片的增益保持一致,從而使3個(gè)接收支路的總增益保持一致。
4.2鑒幅鑒相電路
單脈沖雷達(dá)接收機(jī)的最后一級(jí)是鑒幅鑒相電路,主要功能是將兩路差波束分別與和波束進(jìn)行比幅比相,得出的幅度差值和相位差值就代表接收目標(biāo)對(duì)應(yīng)偏離瞄準(zhǔn)軸的位置,進(jìn)而可以引導(dǎo)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn)瞄準(zhǔn)軸,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的持續(xù)跟蹤。
本方案采用的鑒幅鑒相電路是ANALOG公司的AD8302。該芯片是一款集成幅度比較和相位比較的測(cè)量芯片,只需一個(gè)單獨(dú)的外部供電,就可實(shí)現(xiàn)30mV/dB的幅度測(cè)量精度和10 mV/°的相位測(cè)量精度。AD8302功能框圖見(jiàn)圖9。
圖9 AD8302功能框圖
在單脈沖雷達(dá)接收機(jī)中,將用到兩個(gè)AD8302進(jìn)行鑒幅鑒相。每個(gè)AD8302的INPA腳輸入的都是和波束接收支路經(jīng)功分器過(guò)來(lái)的信號(hào),兩個(gè)差波束接收支路過(guò)來(lái)的信號(hào)分別接入兩個(gè)AD8302的INPB腳。根據(jù)和差網(wǎng)絡(luò)方向圖可以得出,當(dāng)目標(biāo)信號(hào)對(duì)準(zhǔn)瞄準(zhǔn)軸時(shí),兩路信號(hào)差值最大,也即AD8302的鑒幅輸出電平最大。典型的鑒幅特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。
AD8302最大可以鑒別幅度差達(dá)30 dB的信號(hào),鑒于和差波束天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的零值深度一般為25 dB左右,所以該芯片能覆蓋所有方向點(diǎn)上的和差信號(hào)的幅度鑒別。當(dāng)目標(biāo)信號(hào)偏離瞄準(zhǔn)軸時(shí),和差波束信號(hào)之間的幅度差變小,鑒幅輸出幅度也相應(yīng)變小。
通過(guò)和差波束鑒幅的輸出電平可以判斷目標(biāo)信號(hào)是否偏離瞄準(zhǔn)軸,但卻無(wú)法具體區(qū)分目標(biāo)偏離在方向軸的左邊還是右邊。這就需要通過(guò)和差波束鑒相輸出電平來(lái)判別。由于差波束在方向軸兩側(cè)只有180°的相位突變,也即和差波束鑒相輸出電平只有兩個(gè)值,最小值30 mV和最大值1800 mV。典型的鑒相特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖11。
圖10 AD8302鑒幅特性曲線(xiàn)
圖11 AD8302鑒相曲線(xiàn)圖
在鑒相輸出后接一比較器,將門(mén)限設(shè)在900 mV,這樣最終輸出就只有高低電平兩種狀態(tài)了,低電平代表目標(biāo)偏在瞄準(zhǔn)軸的左邊,高電平代表目標(biāo)偏在瞄準(zhǔn)軸的右邊。
將和波束與方向差波束、俯仰差波束分別比較得出的兩個(gè)鑒幅電平和兩個(gè)鑒相電平同時(shí)送給伺服系統(tǒng),伺服系統(tǒng)根據(jù)鑒幅的電平大小和鑒相的電平屬性調(diào)節(jié)伺服系統(tǒng)向目標(biāo)中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服每轉(zhuǎn)動(dòng)一次,重新采樣接收機(jī)送過(guò)來(lái)的鑒幅鑒相數(shù)據(jù),根據(jù)最新數(shù)據(jù),再做相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作,如此循環(huán)往復(fù),就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。
圖12~圖15分別是在信號(hào)功率下限和上限時(shí)的測(cè)試結(jié)果。
圖12 水平方向鑒幅曲線(xiàn)圖(動(dòng)態(tài)下限時(shí))
圖13 俯仰方向鑒幅曲線(xiàn)圖(動(dòng)態(tài)下限時(shí))
當(dāng)輸入信號(hào)比較小,在接收機(jī)工作下限時(shí),測(cè)出來(lái)的方向曲線(xiàn)不是很平滑,雷達(dá)伺服系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)時(shí)會(huì)有小的抖動(dòng),這是因?yàn)樾盘?hào)較小時(shí),進(jìn)入鑒幅鑒相電路的信號(hào)的信噪比比較差,導(dǎo)致輸出電壓疊加了不小的噪聲,從而使跟蹤曲線(xiàn)不是很平滑。
圖14 水平方向鑒幅曲線(xiàn)圖(動(dòng)態(tài)上限時(shí))
圖15 俯仰方向鑒幅曲線(xiàn)圖(動(dòng)態(tài)上限時(shí))
而當(dāng)輸入信號(hào)接近動(dòng)態(tài)上限時(shí),信號(hào)比較大,從而使整個(gè)鏈路的增益比較小,信噪比較高,進(jìn)入鑒幅鑒相電路的噪聲比較小。輸出電壓非常平穩(wěn)。跟蹤方向曲線(xiàn)非常平滑,接近理想曲線(xiàn)。雷達(dá)伺服系統(tǒng)能非常穩(wěn)定地跟蹤上目標(biāo)。
對(duì)整個(gè)接收機(jī)測(cè)試結(jié)果表明,該款S波段單脈沖雷達(dá)接收機(jī)的工作靈敏度可以達(dá)到-88 dBm,動(dòng)態(tài)范圍50 dB,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
該單脈沖雷達(dá)接收機(jī)已應(yīng)用于某無(wú)源雷達(dá)跟蹤系統(tǒng),大量的測(cè)試試驗(yàn)表明接收機(jī)工作穩(wěn)定,跟蹤性能的穩(wěn)定性和可靠性均能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。
參考文獻(xiàn):
[1]列昂諾夫A,黃虹,譯.脈沖雷達(dá)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1974.
[2]毛祺,安紅,周先敏.二維相位和差單脈沖雷達(dá)的測(cè)角性能分析[J].電子信息對(duì)抗技術(shù),2007,22:15-18.
支敏(1979—),男,江蘇無(wú)錫人,本科,2002年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)電子工程系,現(xiàn)就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所,主要從事射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。
Mono-Pulse Radar Receiver Based on Gain and Phase Detect
ZHI Min, ZHANG Hui
(China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035,China)
Abstract:According to the theory of mono-pulse radar receiver, designing a type of band-S receiver based on gain and phase detect. The receiver includes sum-beam link、azimuth angle-beam link and pitching angle-beam link. These receiver links managed the signal amplifying、filtering、mixing and AGC function. Analyzing how to detect gain and phase between three receiver links and how to automatic follow according to the information of amplitude and phase. All the system performance is validated to be according with design requirement.
Keywords:mono-pulse; AGC; gain detect; phase detect
作者簡(jiǎn)介:
收稿日期:2015-11-24
中圖分類(lèi)號(hào):TN 958.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1681-1070(2016)04-0034-06