談宇奇,翟計全

(南京電子技術(shù)研究所; 中國電子科技集團(tuán)公司 智能感知技術(shù)重點實驗室; 江蘇省探測感知技術(shù)重點實驗室: 南京 210039)

高功率微波(high power microwave,HPM)系統(tǒng)的主要技術(shù)包括電真空、等離子體、脈沖功率及固態(tài)功率合成等,可對導(dǎo)彈系統(tǒng)、智能彈藥、雷達(dá)系統(tǒng)及通信指揮系統(tǒng)等信息化武器裝備中的電子設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生干擾及毀傷等效應(yīng),在反無人機(jī)等方面有重要的應(yīng)用[1-4]。固態(tài)體制高功率微波系統(tǒng)的基本工作流程如圖1所示。由低功率微波源產(chǎn)生波形調(diào)制的基礎(chǔ)信號,經(jīng)預(yù)放后,分為多路送至功率放大器,經(jīng)天線輻射在空間合成高功率微波。因此,固態(tài)體制下微波源的性能對高功率微波系統(tǒng)有重要的影響。按照頻譜寬度可劃分為超寬帶源和窄帶源。超寬帶高功率微波依靠極快的上升沿和較寬的頻譜范圍,能夠覆蓋多種目標(biāo)響應(yīng)頻率,通過后門效應(yīng)對電子系統(tǒng)造成毀傷[5-6]。脈沖邊沿的陡峭程度能對高功率微波武器的效能產(chǎn)生重要影響[7]。

圖1 固態(tài)體制高功率微波系統(tǒng)的基本工作流程Fig.1 Basic framework of solid-state high power microwave systems

國內(nèi)外對陡峭邊沿的脈沖源已有較多的研究,但大多針對高壓脈沖源的研制[8]。李璽欽等[9]研制的高壓脈沖源,脈沖上升沿小于10 ns,脈沖幅度為10～20 kV。陳彥麗等[10]研制的單次快上升沿高壓脈沖信號發(fā)生器,脈沖上升沿小于30 ns,高壓負(fù)脈沖幅度為-1 000～-100 V。上述源均為模擬源,產(chǎn)生的脈沖電壓高、功率大,國內(nèi)外還有許多相似研究,脈沖邊沿均達(dá)到納秒量級[11-12]。目前,基于光導(dǎo)開關(guān)的高功率微波源產(chǎn)生的脈沖信號邊沿也可達(dá)到納秒量級,但光導(dǎo)開關(guān)發(fā)射過程即信號調(diào)制過程,產(chǎn)生不夠靈活,開關(guān)的壽命較短,限制了其在工程中的應(yīng)用,且其體制不適用于固態(tài)體制高功率微波系統(tǒng),故本文不再展開說明。針對固態(tài)體制高功率微波系統(tǒng),采用數(shù)字脈沖源具有更好的靈活性,可在高功率干擾毀傷的基礎(chǔ)上實現(xiàn)更多的功能。

本文針對快上升沿、低功率微波源產(chǎn)生的需求,對影響脈沖上升沿的因素進(jìn)行了仿真分析,在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上,提出了一種基于光子合成的脈沖信號產(chǎn)生方法,研制了基于光子合成的信號產(chǎn)生樣機(jī),并進(jìn)行了測試驗證,其產(chǎn)生的信號脈沖寬度最小可達(dá)5 ns,脈沖上升沿小于1 ns,作為一種任意波形產(chǎn)生源,具有多種調(diào)制的能力,相應(yīng)波形產(chǎn)生已得到驗證。

1 納秒量級上升沿模型

在固態(tài)高功率微波體制下,低功率微波源輸出基本信號經(jīng)固態(tài)放大鏈和信號合成,實現(xiàn)了高功率、窄脈沖及快上升沿信號輸出,因此低功率微波源的上升沿陡峭程度對最終輻射信號的脈沖上升沿有決定性影響。本文首先建立脈沖信號模型,對鏈路帶寬、頻率等因素對脈沖上升沿的影響進(jìn)行仿真分析,給出了相應(yīng)微波源系統(tǒng)設(shè)計的基本要求。

1.1 脈沖信號模型

任意的脈沖信號理想模型可表示為

s(t)=A(t-τ)·m(t)

(1)

其中:m(t)為脈沖內(nèi)的調(diào)制函數(shù);A(t-τ)為脈沖幅度的調(diào)制函數(shù);τ為脈沖寬度;t為時間。HPM系統(tǒng)發(fā)射時,一般是飽和最大功率發(fā)射,因此,脈沖內(nèi)幅度A為恒定值,可表示為

(2)

對于脈沖內(nèi)調(diào)制函數(shù)m(t),調(diào)制形式可以是點頻、線性調(diào)頻及相位調(diào)制等形式。根據(jù)傅里葉變換原理,任意波形最終可表示為多個頻率信號合成的結(jié)果,因此為簡化分析模型,采用脈沖內(nèi)點頻調(diào)制的脈沖波形進(jìn)行仿真分析。假設(shè)信號產(chǎn)生的中心頻率為fc,信號源產(chǎn)生的鏈路的幅度和相位特性可等效為一個濾波器。設(shè)等效濾波器帶寬為B、中心頻率與信號中心一致,理想信號與等效濾波器輸出則為微波源輸出信號s,可表示為

s(t)=A(t-τ)·ej2πfct*F(fc,B)

(3)

其中:*為卷積運算;F(fc,B)為中心頻率為fc,帶寬為B的濾波器?；谳敵鲂盘柲Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值仿真,研究脈沖上升沿的影響因素和變化趨勢。

1.2 仿真分析

脈沖上升沿定義為脈沖包絡(luò)幅度的10%到90%之間的上升時間。仿真實驗將從濾波器的響應(yīng)特性幅度和相位響應(yīng)2方面研究其對脈沖上升沿的影響。仿真實驗時,首先研究濾波器帶寬對脈沖上升沿的影響,參數(shù)設(shè)定如下:采樣率為40 GHz;中心頻率fc為5 GHz;濾波器帶寬分別取10～90 MHz(間隔為10 MHz),100 MHz～2 GHz(間隔為100 MHz)。仿真得到脈沖信號上升沿隨通道帶寬間的變化關(guān)系如圖2所示。由圖2可見,在理想恒增益和線性相位的濾波情況下,隨著通道帶寬的增大,脈沖上升沿可更陡峭,在極窄濾波器情況下,上升沿可達(dá)1.3 ns,當(dāng)帶寬為1 GHz時,脈沖上升沿小于1 ns。但在實際鏈路的幅度和相位響應(yīng)會有起伏,會對時域脈沖的上升沿產(chǎn)生影響。

圖2 脈沖信號上升沿隨通道帶寬間的變化關(guān)系Fig.2 Rise time of pulse signal vs. channel bandwidth

對濾波器幅度起伏和相位起伏對脈沖上升沿的影響進(jìn)行了仿真分析。理想濾波器的幅度和相位響應(yīng)如圖3所示。由圖3可見,理想情況下,濾波器的幅度是平頂,且相位響應(yīng)為線性響應(yīng)。

(a) Amplitude response

(b) Phase response

采用控制變量的方式構(gòu)建幅度和相位起伏的濾波器,不同幅度和不同相位起伏濾波器的仿真結(jié)果如圖4所示。

(a) Amplitude fluctuation

(b) Phase fluctuation

通道幅相特性對脈沖上升沿的影響如圖5所示。由圖5可見,隨著幅度和相位起伏的增大,脈沖上升沿在持續(xù)增長,且在特定的起伏下出現(xiàn)了一些奇點,說明幅度和相位起伏對上升沿產(chǎn)生了較大的影響。因此,在高功率微波系統(tǒng)應(yīng)用中,為得到較好的上升沿特性,信號源在設(shè)計時需保證信號產(chǎn)生鏈路具有較好的幅度和相位一致性。

(a) Rise time vs. amplitude fluctuations

(b) Rise time vs. phase fluctuations

通過仿真研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),信號產(chǎn)生系統(tǒng)帶寬和帶內(nèi)幅相一致性與快上升沿信號的產(chǎn)生密切相關(guān)。產(chǎn)生納秒量級上升沿信號,系統(tǒng)帶寬需大于850 MHz,且信號產(chǎn)生系統(tǒng)帶內(nèi)幅相起伏對脈沖上升沿有重要影響,需保證脈沖信號覆蓋的頻帶內(nèi)的幅相平坦度。微波光子技術(shù)具有帶寬大和帶內(nèi)幅相特性好的特點,可用于快上升沿波形的產(chǎn)生。

2 基于光子合成的信號產(chǎn)生方法

由第1節(jié)仿真結(jié)果可見,脈沖信號上升沿的陡峭程度與信號產(chǎn)生通道鏈路的帶寬及幅度相位響應(yīng)密切相關(guān)。通道帶寬越寬,通道幅度響應(yīng)越平坦,相位響應(yīng)線性度越好,脈沖上升沿越陡峭。微波光子技術(shù)是利用光的大帶寬特性在光域處理射頻信號產(chǎn)生、傳輸及處理的技術(shù)[13],具有帶寬大、帶內(nèi)平坦且線性度好的特點[14-15],是一種實現(xiàn)寬帶通道的重要途徑。本文利用微波光子鏈路的寬帶特性,提出了一種基于微波光子合成的快上升沿脈沖信號產(chǎn)生技術(shù),產(chǎn)生原理如圖6所示。

由圖6可見,快上升沿脈沖信號產(chǎn)生原理為:將多個低帶寬的電信號發(fā)生器經(jīng)全光采樣陣列調(diào)制到光波上,在光域合成大帶寬的中頻信號,經(jīng)過光子變頻條將頻譜搬移到所需要的頻率,再通過帶通濾波和放大之后輸出。整個合成和變頻過程中,采用微波光子技術(shù)實現(xiàn)了全部寬帶通道,同時具有較好的寬帶響應(yīng)、幅度平坦度和相位線性度。該信號產(chǎn)生還具備任意波形產(chǎn)生的能力,可根據(jù)功能需求產(chǎn)生多種調(diào)制波形,滿足未來高功率微波系統(tǒng)多功能一體化的需求。

3 樣機(jī)研制及測試

根據(jù)第1節(jié)和第2節(jié)的設(shè)計思路,研制完成了基于光子合成的脈沖信號產(chǎn)生樣機(jī),并進(jìn)行了相應(yīng)測試。樣機(jī)測試流程如圖7所示。由頻率源為光子合成脈沖源提供必需的時鐘和本振頻率;通過控制計算機(jī)將要生成的波形數(shù)據(jù)下載進(jìn)光子合成信號源中,產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖波形;利用高速示波器將產(chǎn)生的波形進(jìn)行數(shù)字采樣和分析。

圖6 基于微波光子合成的快上升沿脈沖信號產(chǎn)生原理Fig.6 Block diagram of signal generation based on photon synthesis

圖7 樣機(jī)測試流程Fig.7 Blockgram of prototype test

圖8和圖9分別為示波器采集到的5,10 ns時域波形。由圖8和圖9可見,基于光子合成的脈沖信號產(chǎn)生樣機(jī)可產(chǎn)生5 ns和10 ns脈寬的窄脈沖信號,脈沖上升沿分別達(dá)到0.96 ns和1.37 ns。

光子合成脈沖源產(chǎn)生的非線性調(diào)頻波形和PSK調(diào)頻波形,經(jīng)示波器采集后進(jìn)行時頻分析。脈寬為5 μs,帶寬為10 MHz的非線性調(diào)頻波形時頻如圖10所示。

(a) Complete waveform collected by the oscilloscope

(b) Enlarged view of the rise edge part

(a) Complete waveform collected by the oscilloscope

(b) Enlarged view of the rise edege part

由圖10可見,信號頻率隨著時間呈非線性變化。圖11為脈寬為5 μs,帶寬為50 MHz的PSK調(diào)制脈沖串信號時頻圖。由圖11可見,基于光子合成的信號源樣機(jī)可產(chǎn)生復(fù)雜調(diào)制型波形,調(diào)制形式具有很高的自由度。

(a) Time-domain waveform

(b) Time-frequency analysis results

(a) Time-domain waveform

(b) Time-frequency analysis results

4 結(jié)論

針對固態(tài)高功率微波系統(tǒng)對短脈沖、快上升沿脈沖的需求,本文對影響脈沖上升沿時間的因素進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明,信號產(chǎn)生鏈路的帶寬、帶內(nèi)幅度平坦度和帶內(nèi)相位線性度對脈沖上升沿有較大影響。因此,本文利用微波光子寬帶平臺線性度好的特性,提出了基于光子合成的快上升沿脈沖信號產(chǎn)生方法,研制了光子合成信號產(chǎn)生樣機(jī),并進(jìn)行了實驗測試。測試結(jié)果表明,研制的光子合成信號產(chǎn)生樣機(jī)可產(chǎn)生脈寬為5 ns～5 μs的脈沖信號,脈沖上升沿小于1 ns,且具備非線性調(diào)頻、PSK調(diào)制等復(fù)雜調(diào)制信號產(chǎn)生的能力。對于固態(tài)微波系統(tǒng),基于光子合成的脈沖信號產(chǎn)生源,在具有快上升沿的特點時兼具任意波形產(chǎn)生能力,可為拓展固態(tài)微波系統(tǒng)能力邊界提供技術(shù)支撐。