馬慧瑾，劉 收，胡 ，田志昊，孟 亮

(北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

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雙中頻超外差式信號(hào)補(bǔ)償閉環(huán)反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

為補(bǔ)償搜索雷達(dá)發(fā)射機(jī)探測(cè)信號(hào)或系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，提出了一種雷達(dá)發(fā)射機(jī)的雙通道信號(hào)補(bǔ)償閉環(huán)反饋系統(tǒng)；該反饋系統(tǒng)采用雙中頻超外差式結(jié)構(gòu)，將發(fā)射機(jī)的高頻發(fā)射信號(hào)兩次下變頻，得到的中頻信號(hào)反饋到雷達(dá)發(fā)射機(jī)前端，與發(fā)射機(jī)一起構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；中頻信號(hào)對(duì)發(fā)射機(jī)輸入端的中頻信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)，以補(bǔ)償發(fā)射信號(hào)的幅度和相位不穩(wěn)定性，從而提高了搜索雷達(dá)對(duì)探測(cè)目標(biāo)的高精度測(cè)量；系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果證明，該系統(tǒng)方案穩(wěn)定可靠，具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考意義。

雙中頻超外差；雷達(dá)；雙通道；信號(hào)補(bǔ)償；閉環(huán)反饋

0 引言

搜索雷達(dá)通常是指能夠連續(xù)發(fā)射探測(cè)信號(hào)搜索特定目標(biāo)，不斷地準(zhǔn)確測(cè)量并輸出目標(biāo)坐標(biāo)位置(如目標(biāo)方向角、目標(biāo)俯仰角、目標(biāo)斜距和徑向速度等參數(shù))的雷達(dá)[1]。搜索雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)、參數(shù)估值、目標(biāo)分辨率、雜波抑制以及抗干擾等方面的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，同時(shí)也對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的大功率發(fā)射、發(fā)射信號(hào)質(zhì)量等方面設(shè)計(jì)提出了更高的要求[2]。為保證發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)滿足性能要求，避免由于開(kāi)環(huán)控制引起的發(fā)射干擾信號(hào)，對(duì)發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制勢(shì)在必行[3]。本文提出了一種雙中頻超外差式雙通道信號(hào)補(bǔ)償閉環(huán)反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該反饋系統(tǒng)與發(fā)射機(jī)一起構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高發(fā)射探測(cè)信號(hào)的質(zhì)量，從而提高搜索雷達(dá)對(duì)目標(biāo)探測(cè)的精準(zhǔn)度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的雷達(dá)發(fā)射機(jī)開(kāi)環(huán)控制和普通超外差接收機(jī)無(wú)法滿足高性能的工業(yè)及軍事應(yīng)用。搜索雷達(dá)發(fā)射機(jī)開(kāi)環(huán)控制無(wú)法避免各種未知的內(nèi)部、外部擾動(dòng)等對(duì)探測(cè)信號(hào)帶來(lái)的干擾，導(dǎo)致目標(biāo)探測(cè)分辨力和測(cè)量精度降低[4]。普通差外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)鏡像頻率干擾嚴(yán)重，且變頻器會(huì)引入眾多的組合頻率干擾和寄生通道干擾[5]。雙中頻超外差方案的頻率配置、增益分配靈活, 而且對(duì)變頻邊帶選擇濾波器和抑鏡濾波器要求降低[6]。針對(duì)以上情況，本文提出雙中頻超外差式雙通道信號(hào)補(bǔ)償閉環(huán)反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，與發(fā)射機(jī)一起構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，來(lái)提高雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射探測(cè)信號(hào)的質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 含反饋系統(tǒng)的雷達(dá)發(fā)射機(jī)原理圖

該反饋系統(tǒng)的主要作用是將雷達(dá)發(fā)射機(jī)的高頻發(fā)射信號(hào)RF轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)可識(shí)別的中頻反饋信號(hào)IF/，通過(guò)補(bǔ)償發(fā)射機(jī)中頻輸入信號(hào)IF的幅度和相位，提高雷達(dá)發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。雙中頻超外差式雙通道脈沖補(bǔ)償閉環(huán)反饋系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 雙中頻超外差式雙通道脈沖補(bǔ)償閉環(huán)反饋系統(tǒng)

作為雷達(dá)發(fā)射機(jī)的反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)的構(gòu)架與雷達(dá)接收機(jī)的構(gòu)架一致。反饋系統(tǒng)最前端為大范圍步進(jìn)可調(diào)衰減器，用來(lái)在出現(xiàn)大目標(biāo)回波時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展，通過(guò)后級(jí)部件的增益壓縮和互調(diào)或交調(diào)失真最小可以處理大信號(hào)。雙通道微波轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的主要作用是對(duì)高頻信號(hào)RF進(jìn)行通道1和通道2選擇。在集中選擇濾波器之前，通道1和通道2射頻鏈路相同，其中一條鏈路為備選鏈路，提高系統(tǒng)可靠性。因普通超外差接收機(jī)的鏡像頻率干擾嚴(yán)重，且變頻器會(huì)引入眾多的組合頻率干擾和寄生通道干擾，需要具有很高Q值的窄帶濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，但如此高Q值的窄帶濾波器不易實(shí)現(xiàn)且造價(jià)太高。為解決上述問(wèn)題，發(fā)射機(jī)反饋系統(tǒng)采用雙中頻超外差式結(jié)構(gòu)，對(duì)高頻信號(hào)RF進(jìn)行兩次下變頻。本振信號(hào)LO1和LO2進(jìn)入混頻器之前，先經(jīng)過(guò)本Ⅰ和本Ⅱ?yàn)V波器濾除雜波。高頻信號(hào)RF經(jīng)過(guò)Ⅰ混頻下變頻，輸出高中頻信號(hào)fIF1=fRF-fLO1，再經(jīng)過(guò)采用高中頻值的Ⅰ中頻濾波器進(jìn)行信道選擇，利于抗系統(tǒng)鏡頻干擾。高中頻信號(hào)IF1再經(jīng)過(guò)Ⅱ混頻二次下變頻，輸出低中頻信號(hào)fIF2=fIF1-fLO2，再經(jīng)過(guò)采用低中頻值的Ⅱ中頻濾波器進(jìn)行信道選擇，利于提取有用信道、抑制鄰道干擾。前置放大器和功率放大器主要提供額外的增益來(lái)補(bǔ)償功率損失，將信號(hào)放大到后端處理需要的電平值。集中選擇濾波器主要用來(lái)抑制無(wú)用信號(hào)和設(shè)置接收機(jī)模擬處理的帶寬。

2 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)

2.1 控制、檢查電路的設(shè)計(jì)

控制、檢查電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)反饋系統(tǒng)內(nèi)微波轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、混頻器、前置放大器等各模塊的供電、控制和檢查功能。該電路主要由電源穩(wěn)壓模塊、信號(hào)檢查電路、邏輯分析模塊和驅(qū)動(dòng)、顯示電路組成，其原理圖如圖3所示。

圖3 控制、檢查電路原理圖

電源穩(wěn)壓電路主要通過(guò)可調(diào)穩(wěn)壓芯片LM317對(duì)輸入的電源進(jìn)行調(diào)節(jié)穩(wěn)壓，以滿足后級(jí)電路的供電需求。信號(hào)檢查電路是對(duì)反饋系統(tǒng)內(nèi)微波轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、混頻器、前置放大器等各模塊進(jìn)行信號(hào)控制和狀態(tài)檢查。邏輯分析電路是整個(gè)電路的核心，在EPM7128S(CPLD)芯片片內(nèi)部通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)相關(guān)邏輯功能，主要對(duì)控制、檢查電路輸出的零散檢查結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算分析，輸出檢查或故障信號(hào)，這樣可節(jié)省布局空間，反復(fù)擦寫編程，降低了設(shè)計(jì)難度。驅(qū)動(dòng)、顯示電路主要通過(guò)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管對(duì)邏輯運(yùn)算電路輸出的故障信號(hào)進(jìn)行顯示。

2.2 微波轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

雙通道微波轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的主要作用是對(duì)高頻信號(hào)RF進(jìn)行通道1和通道2選擇，雙通道的設(shè)計(jì)主要是微波信號(hào)有備選通道，提高系統(tǒng)的可靠性。雙通道微波轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)原理圖如圖4所示[7]。

圖4 雙通道微波轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)原理圖

雙通道微波轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)包括開(kāi)關(guān)控制電路和兩個(gè)窄帶腔體濾波器。開(kāi)關(guān)電路在控制信號(hào)A和控制信號(hào)B的作用下對(duì)衰減過(guò)的輸入高頻信號(hào)RF進(jìn)行通道選擇，兩路加載集總電容的三階方桿梳狀窄帶腔體濾波器，對(duì)高頻信號(hào)RF進(jìn)行窄帶選頻、濾波。兩路三階方桿梳狀腔體濾波器裝有3個(gè)調(diào)諧螺釘，調(diào)諧螺釘端面與濾波器梳狀方桿端面之間形成加載集中電容，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)諧螺釘?shù)纳疃?，即改變調(diào)諧螺釘端面和濾波器梳狀方桿端面的間距大小，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧濾波器的輸出諧振中心頻點(diǎn)。通過(guò)配合調(diào)節(jié)調(diào)諧螺釘深度，使得輸出信號(hào)RF1和RF2相同。

2.3 Ⅰ、Ⅱ混頻器的設(shè)計(jì)

Ⅰ混頻器的作用是將輸入的高頻信號(hào)RF和Ⅰ本振信號(hào)LO1進(jìn)行混頻，下變頻得到高中頻信號(hào)IF1。其工作原理圖如圖5所示。

圖5 混頻器Ⅰ工作原理圖

為滿足控制和檢查電路的需要，混頻器Ⅰ采用單二極管混頻技術(shù)，由高頻RF腔體濾波器、本振LO1腔體濾波器、混頻二極管、耦合電感和輸出濾波器分立元件構(gòu)成。高頻信號(hào)RF和本振信號(hào)LO1分別經(jīng)過(guò)各自的腔體濾波器濾波后，通過(guò)混頻二極管進(jìn)行混頻，下變頻得到的高中頻信號(hào)IF1。檢查信號(hào)由輸出濾波器端輸出給控制和檢查電路。Ⅱ混頻器的設(shè)計(jì)原理與Ⅰ混頻器大致相似，在此不再贅述。

2.4 濾波器的設(shè)計(jì)

濾波器主要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，抑制雜波、外部干擾和噪聲等。以Ⅱ本振濾波器設(shè)計(jì)為例[8]，如圖6所示，采用圓桿梳狀線窄帶濾波器結(jié)構(gòu)，由4個(gè)耦合線平行陣列構(gòu)成，每個(gè)耦合線為一個(gè)TEM諧振器，諧振器間的耦合是通過(guò)平行耦合線間的電磁場(chǎng)耦合傳遞的。正對(duì)于諧振桿開(kāi)路端中心處設(shè)置調(diào)諧螺釘，通過(guò)調(diào)整調(diào)諧螺釘?shù)纳疃葋?lái)調(diào)諧得到中心頻率。輸入輸出信號(hào)采用探針耦合方式。其余濾波器的設(shè)計(jì)原理與Ⅱ本振濾波器大致相似，在此不再贅述。

圖6 Ⅱ本振濾波器電磁結(jié)構(gòu)圖

2.5 前置放大器的設(shè)計(jì)

前置放大器功能電路主要提供額外的增益來(lái)補(bǔ)償功率損失，將信號(hào)放大到后端處理需要的電平值。前置放大器原理圖如圖7所示。

圖7 前置放大器原理圖

前置放大器主要由一級(jí)放大電路、中頻可調(diào)衰減電路和二級(jí)放大電路組成。一級(jí)放大電路主要由前端的濾波電路和寬帶放大器RAM-6組成。中頻可調(diào)衰減電路主要由長(zhǎng)尾型差分電路變換而來(lái)，同時(shí)增加了增益調(diào)整和關(guān)閉功能。二級(jí)放大電路主要由寬帶放大器RAM-6、放大器偏置電路和輸出濾波電路組成。寬帶放大器RAM-6放置在1級(jí)和2級(jí)放大電路中，其主要作用就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，每個(gè)增益為20 dB，可滿足40 dB的增益要求。

2.6 功率放大器的設(shè)計(jì)

功率放大器是整個(gè)反饋系統(tǒng)的最后一級(jí)，主要作用是對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，同時(shí)需要滿足輸出端口阻抗匹配要求。其功能框圖如圖8所示。

圖8 功率放大器原理圖

功率放大器由一級(jí)放大、50 Ω阻抗衰減器、二級(jí)放大和檢波電路構(gòu)成，由于需要較高的放大倍數(shù)，采用單級(jí)放大電路無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求，因此使用兩級(jí)放大電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

一級(jí)放大電路主要由隔直電容和寬帶放大器RAM-6組成，二級(jí)放大電路主要由集成寬帶放大器HE861和相關(guān)外圍電路構(gòu)成。同時(shí)為了避免過(guò)大的信號(hào)功率影響系統(tǒng)，在兩級(jí)放大電路中間引入阻抗衰減器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行可調(diào)衰減。檢波電路主要中頻信號(hào)進(jìn)行檢波，得到最終中頻反饋信號(hào)。

3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

作為雷達(dá)發(fā)射機(jī)的反饋系統(tǒng)，其主要功能是將輸入的高頻信號(hào)變頻為中頻反饋信號(hào)輸出，并且可對(duì)輸出的中頻反饋信號(hào)功率大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)還具備對(duì)內(nèi)部各模塊工作狀態(tài)的檢查功能。因此，實(shí)際系統(tǒng)的驗(yàn)證測(cè)試構(gòu)成也主要針對(duì)以上方面進(jìn)行，表1為在不同的輸入信號(hào)功率組合下，測(cè)得的中頻反饋信號(hào)輸出功率范圍。

表1 低壓電力線載波通信多徑信道模型參數(shù)

由表1和圖9可以看出，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試，該反饋系統(tǒng)的增益范圍為-60～+80 dB，且輸出功率不大于22 dBm，滿足實(shí)際指標(biāo)需求。同時(shí)系統(tǒng)可以對(duì)相關(guān)故障進(jìn)行報(bào)警燈提示，如無(wú)本振信號(hào)、無(wú)輸入高頻信號(hào)、系統(tǒng)無(wú)輸出信號(hào)等故障。

圖9 反饋系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

為補(bǔ)償搜索雷達(dá)發(fā)射機(jī)探測(cè)信號(hào)或系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，本文基于傳統(tǒng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，提出了一種雷達(dá)發(fā)射機(jī)的雙通道信號(hào)補(bǔ)償閉環(huán)反饋系統(tǒng)。該反饋系統(tǒng)基于雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計(jì)理念，采用雙中頻超外差式結(jié)構(gòu)。文中給出了該反饋系統(tǒng)的總體原理框架，和各模塊的設(shè)計(jì)原理。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，該反饋系統(tǒng)產(chǎn)品已在某型搜索雷達(dá)中得到實(shí)際應(yīng)用。

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Design of Double Superheterodyne Closed-loop Feedback System to Compensate Signal

Ma Huijin, Liu Shou, Hu Liang, Tian Zhihao, Meng Liang

(Beijing Aerospace Measurement&Control Corp., Beijing 100041，China)

In order to compensate the instability of detector signals or systems of radar transmitter, it advances a double superheterodyne& double channel closed-loop feedback system to compensate signals of radar transmitter. This system adopts the double superheterodyne framework to secondary mix RF signal and feedback the intermediate frequency to the front of transmitter. They compose a closed-loop feedback system. The intermediate frequency real-timely detect and compensate the amplitude and phase of transmit-signals, and improve explore precision of radar. The application result argues that the system project is stable, credible, practical and advisable.

doublesuperheterodyne;doublechannel;signalcompensator;closed-loop feedback; radar

2016-07-06；

2016-07-19。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(A0420132302)。

馬慧瑾(1985-)，女，河北保定人，工程師，主要從事微波系統(tǒng)測(cè)試與診斷，及微波系統(tǒng)集成等方向的研究。

1671-4598(2016)09-0264-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.074

TP393

A