李 亮，陳 坤，倪大海，寇小兵，尹紅波，張得才

(揚州?？齐娮涌萍加邢薰荆K 揚州 225101)

0 引 言

在復雜的電子對抗環(huán)境里，雷達偵察系統的測向設備可以為我方人員提供敵方輻射源的方向信息，以引導自衛(wèi)干擾和機動規(guī)避等戰(zhàn)術決策[1-4]。除此之外，在測向過程中，敵方輻射源信號的到達角信息是非瞬變參數，基本不受環(huán)境影響，所以可利用鎖定的到達角來分選信號。對于傳統的雷達偵察系統而言，通常方案是由幾種組件裝配而成的，各個組件需要獨立調試，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的高集成度小型化需求。

本文介紹一種小型化寬帶測向系統的設計，該設計能夠較為理想地滿足綜合電子戰(zhàn)的整機性能需求。同時，文中給出了測向系統技術指標分析，論述了小型化設計以及寬頻帶設計。從最終的研制結果可以看出，所有參數均滿足設計要求，滿足了雷達偵察系統的任務需求。

1 系統介紹

1.1 系統原理介紹

在偵察設備搜索工作中，敵方輻射源可能處于掃描狀態(tài)，如搜索雷達、處于掃描狀態(tài)下的跟蹤雷達以及邊掃描邊跟蹤的雷達，入射信號是低頻調制脈沖列。當偵察設備掃過輻射源所在方位時，需要用己方的方向圖函數對入射脈沖列進行調制，被偵收的脈沖包絡不再呈現對稱的高斯型分布，這時脈沖波形發(fā)生偏移，測角誤差增大。為了消除輻射源天線掃描調制引起的測量誤差，在原先定向接收支路A的基礎上(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 具有全向支路的測向系統

設偵收的輻射源信號為：

s(t)=F(t)A(t)cosωt

(1)

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

定向支路的視頻檢波對數放大器(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。

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。

此時兩路輸出電壓一起進入邏輯電路進行減法運算，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掃描調制和幅度變化對測角精度的影響。更進一步，這種系統還可以用來一直偵察天線的旁瓣。如圖2所示，調整2路接收支路增益，當定向天線用主瓣接收信號時，定向支路輸出的脈沖信號大于全向支路，通過邏輯電路判斷后，電路輸出脈沖信號；而當定向天線的旁瓣接收信號時，定向支路輸出的脈沖信號小于全向支路，通過邏輯電路判斷后，電路無輸出脈沖信號。通過這種方案，可以一直偵察系統中天線旁瓣對測向的影響，增強主瓣測向精度。

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系統的最重要部件之一，其一端連接天線，另一端連接中頻處理單元，構成接收系統，功能是對信號進行放大、移相、衰減。它的性能直接影響整個雷達系統的探測效果，現代有源相控陣雷達的快速發(fā)展對微波組件的電性能、體積、重量提出了更高的要求, 尤其是機載、艦載、星載雷達中的微波組件，其體積、重量受到更嚴格的限制。

如圖3所示，接收前端是相同的4個獨立的定向接收通道以及1個單獨的全向接收通道集成在一起的共腔體結構。定向天線將信號傳輸至接收前端中，信號在前端中分別經過限幅放大、波控、多功能芯片以及合路器后進入功分器，功分器的一路直接給測頻信號處理端，另一路經過大動態(tài)檢波對數視頻放大器(DLVA)檢波后輸入給測向信號處理端；全向天線將信號傳輸至接收前端后，直接經過大動態(tài)DLVA檢波后輸入給測向信號處理端，以此達到通過全向支路抑制偵察天線旁瓣的目的。

前端內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立的幅度和相位控制。由于天線方向圖函數是天線口徑照射函數的傅里葉變換，因此在采用陣列天線后，通過改變陣列中各單元通道內信號幅度與相位，即可改變天線方向圖函數或天線波束形狀。

圖3 測向系統示意圖

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立的多位移相器和多位衰減器。通過多位低相移衰減器對射頻信號幅度進行衰減，并通過多位移相器對射頻信號相位進行搬移，然而無論是多位衰減器還是多位移相器，其不僅控制位多，需要擺放十幾個饋電絕緣子對器件進行控制，電路布線占用面積大，邏輯控制復雜；而且級間匹配不好，容易導致移相精度以及衰減精度的惡化，因此需要進行射頻調試以完成性能優(yōu)化。除此之外，相關的控制電路也非常復雜。因此，若是在1個微波組件內有多個接收通道，其結果是體積大，裝配調試量大，一致性差，不利于小型化批量化生產。

為此，采用了多功能芯片和波控芯片組合方案來優(yōu)化設計方案。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，信號通過放大器1后進入開關3中，通過開關3的切換，將信號切入六位移相器端，數控移相器由5.625°，11.25°，22.5°，45°， 90°，180°組成，實現5.625°～360°移相范圍。由于移相器的插損非常大，局部插損較大會影響鏈路噪聲系數，因此在移相器之后引入放大器2來抬高局部增益。信號經過放大器2后進入六位衰減器，數控衰減器按照0.5 dB、1 dB、2 dB、4 dB、8 dB以及16 dB的順序級聯而成，實現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。最終信號依次通過開關2和開關1切入到后續(xù)的公共端中。由于多功能芯片內部將移相器和多位衰減器分開放置，并且通過2級放大器對這2個器件進行射頻隔離，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，其內部集成了譯碼功能，可以將串行控制信號轉換為并行控制信號，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。

傳統的射頻電路和控制電路通常采用分立器件進行組合使用，這些分立器件不僅占用空間大，而且控制關系復雜。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物照片

1.3 多層數模混壓板介紹

本文中所有的器件均裝配在多層數?；靿喊迳?，多層數?；靿喊宀捎没赏S線結構，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計，又可以實現邏輯控制信號和電源直流信號的垂直互聯；由于底層的微波射頻板采用基片集成同軸線結構，具有高隔離、抗干擾以及高Q值的優(yōu)點；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，具有很強的通用性。

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

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

1.4 大動態(tài)DLVA介紹

DLVA的通常動態(tài)范圍為30～40 dB，為滿足系統60 dB以上動態(tài)范圍要求，采用擴展動態(tài)設計。傳統的DLVA動態(tài)擴展設計采用兩級對數運算放大器進行檢波動態(tài)拼接，由于其周邊偏置電路較為復雜，導致該方案裝配復雜，占用空間大。在本文中采用連續(xù)檢波對數視頻放大器(SDLVA)設計，周邊偏置電路簡單，占用空間小，有利于小型化。結合圖5，具體方法如下：輸入級首先通過超寬帶芯片功分器，將外界射頻信號等分為2路信號進行檢波，2路檢波電壓最終通過運算放大器進行疊加，以完成動態(tài)擴展。其中功分之后的第1路信號進入放大鏈路，放大鏈路的構成為多級低噪聲放大器、溫補衰減器和衰減器。第1路信號經過放大后進入第1級SDLVA進行檢波。功分器輸出第2路信號，直接進入第2級SDLVA進行檢波，因為此時其功率接近SDLVA的最小檢波靈敏度，其檢波輸出功率可以忽略。大動態(tài)DLVA擴展電路按照如上所述的增益配置，2段信號可以實現無縫銜接，拼接成一整段信號，對數線性度滿足±3。

圖5 大動態(tài)DLVA擴展電路示意圖

在適當的前端增益條件下，平方率檢波系統的極限正切靈敏度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;G為鏈路增益；-114為1 MHz帶寬時基底噪聲功率。

正切靈敏度決定DLVA的動態(tài)范圍的下限，而正切靈敏度實際上由以上參數決定。當接收通道帶寬與視頻帶寬基本固定時，要得到期望的動態(tài)范圍重點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，當噪聲系數在5 dB左右時，大動態(tài)DLVA的理論極限正切靈敏度約為-76 dBm，滿足設計要求。

如圖6所示，大動態(tài)DLVA擴展電路由2級SDLVA支路組成，動態(tài)范圍超過60 dB。

圖6 大動態(tài)DLVA擴展電路實物照片

根據文獻可知，測向系統內部噪聲會引起隨機誤差[7]，在四天線系統中，內部噪聲引起的測向誤差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，對于信噪比的要求越來越高。由公式可得出，如φ=0時，需要信噪比σS/N>11 dB；φ=45°時，需要信噪比σS/N>15 dB。

系統的靈敏度由帶寬和噪聲系數決定，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為信號帶寬；FN為噪聲系數，σS/N為信噪比。

由軟件計算可得，鏈路噪聲系數FN約為5.5 dB。信號帶寬為12 000 MHz，系統Smin為-50 dBm時，根據計算得出σS/N約為17.7 dB，滿足測向誤差要求。

在傳統的大動態(tài)DLVA方案中，需要采用分立器件進行動態(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雜，無法滿足小型化需求。本文采用了SDLVA大動態(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，所占空間約為傳統方案的一半，實現了組件小型化。

1.5 實物及測試結果

通過以上系統電路分析，該系統實現的主要技術指標結果如表1所示。

表1 最終測試數據

由表1知，組件的主要技術指標均滿足設計要求，經過整機聯調、高低溫度沖擊、振動沖擊以及電老煉等環(huán)境試驗后，均能可靠工作，較好地滿足了系統的任務需求。如圖7所示，該電子偵察系統集成度高，體積小，重量輕。

圖7 小型化測向系統實物照片

2 結束語

面對越來越復雜的電子對抗環(huán)境，以及為了滿足系統小型化要求，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，指標一致性高；采用多層數?；靿喊?，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導通，這樣既保證性能指標，又節(jié)省空間，方便裝備生產；采用兩級SDLVA進行動態(tài)拼接，實現了60 dB以上的檢波動態(tài)范圍，幅度一致性高。該系統已成功運用在某新型電子系統中，可以預見基于上述設計理念的測向系統在機載和艦載等電子戰(zhàn)系統中具有廣泛的應用前景。