涂正林，劉恩凱

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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AD8302在鑒相系統(tǒng)中的應(yīng)用

涂正林，劉恩凱

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

介紹了以AD8302為基礎(chǔ)的鑒相系統(tǒng)在測頻測向系統(tǒng)中的應(yīng)用、設(shè)計(jì)概況和解模糊方法。這種設(shè)計(jì)使鑒相系統(tǒng)體積縮小并簡化,可廣泛應(yīng)用于軍事、通信、電力等領(lǐng)域。

鑒相系統(tǒng)；解模糊；反應(yīng)時(shí)間

0 引 言

當(dāng)前鑒相系統(tǒng)，以數(shù)字式瞬時(shí)測頻(DIFM)最為典型，它由正交相關(guān)器、延時(shí)線、檢波器及編碼板等構(gòu)成，具有體積小、重量輕、鑒相測頻速度快，精度高等優(yōu)點(diǎn)。隨著數(shù)字器件的飛速發(fā)展，更高技術(shù)新型瞬時(shí)測頻也在不斷涌現(xiàn)，如基于高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的全數(shù)字信道化瞬時(shí)測頻，超導(dǎo)延時(shí)線瞬時(shí)測頻，多路移相時(shí)鐘瞬時(shí)測頻，集成鑒相芯片瞬時(shí)測頻，與目前通用的DIFM相比他們有體積更小，同時(shí)信號及信號分析等功能更強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。本文將重點(diǎn)介紹基于AD公司的AD8302芯片為基礎(chǔ)的小型鑒相系統(tǒng)及其拓展應(yīng)用的一些想法。

1 數(shù)字式瞬時(shí)測頻正交鑒相器的架構(gòu)

當(dāng)前瞬時(shí)測頻主要由限幅放大器、功分器、正交相關(guān)器、延時(shí)線、檢波器、差分運(yùn)算放大器、高速比較器、編碼控制板組成，根據(jù)體積和編碼位數(shù)等要求，可分為4通道、5通道和7通道相關(guān)器組，除相關(guān)器數(shù)量區(qū)別外，功能、結(jié)構(gòu)和編碼方法大體一樣。單通道結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 單通道相關(guān)器結(jié)構(gòu)

這種相關(guān)器組體積較小，重量和體積主要集中在相關(guān)器、限幅放大器、延時(shí)線上，工作帶寬有2～8 GHz，4～6 GHz，8～18 GHz等，測頻時(shí)間達(dá)到120 ns左右，能對50 ns脈寬到連續(xù)波信號進(jìn)行測頻，通用性較好，能夠用于測頻測向等多種場合。不過對于體積要求更小的反輻射導(dǎo)彈、反輻射無人機(jī)，其體積和重量則略顯大[2]。

2 AD8302功能簡介

AD8302是AD公司推出的高度集成的幅度和相位測量的單片集成電路，能測量從DC～2.7 GHz頻率范圍內(nèi)2個(gè)輸入信號間的幅度比和相位差。該器件將精密匹配的2個(gè)對數(shù)檢波器集成在一塊芯片上，將誤差源及溫度漂移減小到最低限度。其基本參數(shù)：

頻率范圍：DC～2.7 GHz

幅度測量比例系數(shù)：30 mV/dB

靈敏度：-60 dB

動(dòng)態(tài)范圍：70 dB

相位測量范圍：180°

幅度分辨率：30 mV/dB

精確相位測量比例系數(shù)：10 mv/°

相位分辨力：優(yōu)于1°

基準(zhǔn)電壓偏置：1.8 V

視頻帶寬響應(yīng)：30 MHz

由圖2可知，2路信號由管腳INPA和INPB輸入，管腳IVPHS輸出2路信號間的相位差，而管腳IVMAG輸出2路信號幅度差。也就是說該器件既可比幅也可比相，這又拓展了它的應(yīng)用空間。

圖2 單通道相關(guān)器結(jié)構(gòu)

3 基于AD8302瞬時(shí)測頻的基本架構(gòu)

根據(jù)AD8302的幅相曲線，在較長延遲線中2π內(nèi)會(huì)產(chǎn)生2個(gè)或2個(gè)以上相位模糊，這時(shí)可以采用傳統(tǒng)DIFM解模糊方法，即在1∶2延遲線的基礎(chǔ)上采用電阻排移相方法解模糊，但有移相不精確的問題；也可以采用正交兩路下變頻加以解決。這里我們選用兩路不規(guī)則延遲線的方法，對系統(tǒng)鑒相進(jìn)行造表比對，用查表對應(yīng)相位差的方法快速鑒相。基本方案如圖3所示。

測頻方法：2路AD8302將頻域劃分為3個(gè)區(qū)間，ADC采樣數(shù)據(jù)先進(jìn)行比較編碼后確定大概頻率區(qū)間解模糊，再根據(jù)主通道ADC的采樣數(shù)據(jù)相位頻率公式計(jì)算出相應(yīng)頻率。但是測量相位差并計(jì)算出頻率這種方法不僅需要CPU不停從ADC讀入相位碼，還需要CPU解算相應(yīng)的頻率碼并上報(bào)，浪費(fèi)CPU資源，同時(shí)也延長了系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。因此頻率碼可采用碼表對應(yīng)的方式產(chǎn)生，工作時(shí)以ADC采樣值即相位差作為位地址，頻率碼為數(shù)據(jù)存在相應(yīng)地址內(nèi)即可，以列表形式保存在FPGA中。

圖3 AD8302瞬時(shí)測頻的基本架構(gòu)

3.1 頻率區(qū)域劃分

圖4 兩路解模糊VPHS輸出

如圖4所示，V1為一通道短延遲線掃頻視頻輸出，V2為二通道長延遲線掃頻視頻輸出。只選取AD8302頻段中的500～2 500 MHz，以V1和V2曲線依次分為3個(gè)區(qū)域，為了保證在這3個(gè)區(qū)域里不會(huì)出現(xiàn)頻率編碼模糊，必須調(diào)整2根延遲線電長度，不能讓掃頻時(shí)的檢波視頻曲線有倍數(shù)關(guān)系，如1∶2或者1∶4，因?yàn)槟菍?huì)在不同頻率周期性出現(xiàn)相同頻率碼，從而產(chǎn)生頻率模糊。

3.2 造表與編碼解模糊

頻率區(qū)域劃分是造表與解模糊的前提，頻率區(qū)域劃分好之后如何精測頻率并解模糊是工作的重點(diǎn)。圖5是自動(dòng)測試造表系統(tǒng)簡圖。

圖5 造表系統(tǒng)

假設(shè)在中頻500 MHz，2路ADC采樣數(shù)據(jù)分別為80H和92H，將8092H作為頻率碼，并存儲在根據(jù)電路設(shè)計(jì)設(shè)定的固定地址頁，產(chǎn)生數(shù)據(jù)與頻率之間的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 真實(shí)頻率造表關(guān)系

從表1可以看出地址碼沒有出現(xiàn)重復(fù)數(shù)據(jù)，而頻率碼則是非線性無重復(fù)編排，在實(shí)際應(yīng)用中就不會(huì)出現(xiàn)頻率模糊[3]。

3.3 測頻精度和誤差分析

測頻不模糊范圍:

(1)

(2)

鑒相器輸出相位與輸入信號頻率的關(guān)系:

AD8302的相位分辨率≤1°，則:

測頻其理論精度為:

|df |=2 700/360=7.5MHz

考慮到AD8302在 [-π,-160°]∪[160°,π]會(huì)出現(xiàn)5°以上的相位誤差，因此將頻率范圍定為500～2 500 MHz是較為合理的。本系統(tǒng)采用2通道解模糊測頻，本系統(tǒng)理論測頻精度為：

| df |=2 000/720=2.78 MHz

不過為了提高精度，除了造表以外，還可以加入插值算法對頻率編碼進(jìn)行補(bǔ)充造表等數(shù)據(jù)處理手段，實(shí)際測頻精度將高于理論測頻精度。

4 多通道測頻應(yīng)用實(shí)例

(1) 假設(shè)中頻帶寬為500～2 500 MHz，中心頻率1 500 MHz，帶寬2 000 MHz，將12～16 GHz分為3個(gè)通道：12～14 GHz，14～16 GHz，16～18 GHz，然后以14.5 GHz，16.5 GHz，18.5 GHz本振分別將三通道下變頻至500～2 500 MHz，經(jīng)過放大濾波后進(jìn)行測頻。其基本框圖如圖6所示。

圖6 分通道測頻基本框圖

(2) 對14～16 GHz連續(xù)波或脈沖信號測向，以16.5 GHz本振分別將三通道下變頻至中頻500～2 500 MHz，經(jīng)過濾波、穩(wěn)相、限幅放大等處理后，分別利用VPHS和VMAG進(jìn)行比幅定向計(jì)算和比相定向編碼，同時(shí)或分別以2種方式對輻射目標(biāo)進(jìn)行精確定位。其基本框圖見圖7。

圖7 比幅比相基本框圖

5 反應(yīng)時(shí)間比較

數(shù)字式瞬時(shí)測頻的反應(yīng)時(shí)間主要由最長延遲線長度、相關(guān)器、檢波器、差分運(yùn)算放大器、比較器的延時(shí)累加而成。通常瞬時(shí)測頻的測頻精度由最長延遲線決定，因此最長延遲線往往達(dá)到數(shù)米，其反應(yīng)時(shí)間大約120 ns。

而以AD8302為基礎(chǔ)的鑒相系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間主要來自于延遲線長度、AD8302視頻帶寬、ADC采樣速度、編碼電路速度。因?yàn)樵撓到y(tǒng)不需要長延遲線來提高精度，因此反應(yīng)時(shí)間將大大減小。

若AD8302測頻系統(tǒng)最長延遲線為30 cm，以AD8302視頻帶寬30 MHz、ADC采樣時(shí)鐘100 MHz、編碼板工作頻率500 MHz計(jì)算，理論系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間為：

而用于定向的鑒相系統(tǒng)，由于通道一致性要求在微波通道反應(yīng)時(shí)間相同。因此系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間主要由通道延遲時(shí)間和數(shù)字編碼時(shí)間組成。

若AD8302定向系統(tǒng)射頻傳輸線為15 cm，視頻帶寬30 MHz，兩路ADC采樣時(shí)鐘100 MHz，編碼板工作頻率500 MHz計(jì)算，線陣長度50 cm，入射角45°，則理論系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間為：

6 結(jié)束語

AD8302是一款單晶雙極性增益鑒相器，設(shè)計(jì)用來測量2路信號間的增益(插損)和相位差，它將幅度和相位測量集中在一起，省去了原先體積較大的盒體相關(guān)器組，使得鑒相系統(tǒng)大大簡化。但AD8302也有工作頻段窄、頻率較低的缺點(diǎn)，如果與小型化頻合器一起應(yīng)用，也能在軍事領(lǐng)域發(fā)揮一定的作用。它不僅可以用于DIFM，也可以應(yīng)用于比幅比相測向系統(tǒng)、通訊頻段偵察、頻率瞄準(zhǔn)與反輻射等領(lǐng)域，如果增加頻率合成模塊還能拓展頻段，提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、適用性和可靠性。隨著低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)的不斷發(fā)展，工作頻率更高、帶寬更大、體積更小的功分器、帶狀線延遲線、幅相采樣芯片也會(huì)相繼推出，將為新型鑒相系統(tǒng)的寬頻化、小型化提供技術(shù)支撐。

[1] 趙國慶.雷達(dá)對抗原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[2] 丁鷺飛，耿富錄，陳建春.雷達(dá)原理[M].北京：電子工業(yè)版社，2009.

[3] 程佩清.數(shù)字信號處理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

Application of AD8302 to Phase Detection System

TU Zheng-lin,LIU En-kai

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

This paper introduces the application,design situation and solving ambiguity method of phase detection system in frequency measurement and direction finding system based on AD8302.This design makes the size of phase detection system reduced and the system simplified,so the system can be widely applied to domains such as military,communication and electric power,etc..

phase detection system;solving ambiguity;response time

2016-05-23

TN763.3

B

CN32-1413(2016)04-0113-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.025