雙中頻超外差式信號補償閉環(huán)反饋系統(tǒng)的設(shè)計

馬慧瑾，劉 收，胡 ，田志昊，孟 亮

(北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

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雙中頻超外差式信號補償閉環(huán)反饋系統(tǒng)的設(shè)計

(北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

為補償搜索雷達發(fā)射機探測信號或系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，提出了一種雷達發(fā)射機的雙通道信號補償閉環(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)射機的高頻發(fā)射信號兩次下變頻，得到的中頻信號反饋到雷達發(fā)射機前端，與發(fā)射機一起構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；中頻信號對發(fā)射機輸入端的中頻信號實時檢測，以補償發(fā)射信號的幅度和相位不穩(wěn)定性，從而提高了搜索雷達對探測目標(biāo)的高精度測量；系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果證明，該系統(tǒng)方案穩(wěn)定可靠，具有一定的實用價值和參考意義。

雙中頻超外差；雷達；雙通道；信號補償；閉環(huán)反饋

0 引言

搜索雷達通常是指能夠連續(xù)發(fā)射探測信號搜索特定目標(biāo)，不斷地準(zhǔn)確測量并輸出目標(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[1]。搜索雷達系統(tǒng)對目標(biāo)檢測、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)計要求越來越高，同時也對雷達發(fā)射機的大功率發(fā)射、發(fā)射信號質(zhì)量等方面設(shè)計提出了更高的要求[2]。為保證發(fā)射機發(fā)射信號滿足性能要求，避免由于開環(huán)控制引起的發(fā)射干擾信號，對發(fā)射系統(tǒng)進行閉環(huán)控制勢在必行[3]。本文提出了一種雙中頻超外差式雙通道信號補償閉環(huán)反饋系統(tǒng)設(shè)計，該反饋系統(tǒng)與發(fā)射機一起構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高發(fā)射探測信號的質(zhì)量，從而提高搜索雷達對目標(biāo)探測的精準(zhǔn)度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

隨著社會的進步和科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的雷達發(fā)射機開環(huán)控制和普通超外差接收機無法滿足高性能的工業(yè)及軍事應(yīng)用。搜索雷達發(fā)射機開環(huán)控制無法避免各種未知的內(nèi)部、外部擾動等對探測信號帶來的干擾，導(dǎo)致目標(biāo)探測分辨力和測量精度降低[4]。普通差外差接收機結(jié)構(gòu)鏡像頻率干擾嚴(yán)重，且變頻器會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, 而且對變頻邊帶選擇濾波器和抑鏡濾波器要求降低[6]。針對以上情況，本文提出雙中頻超外差式雙通道信號補償閉環(huán)反饋系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，與發(fā)射機一起構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，來提高雷達發(fā)射機發(fā)射探測信號的質(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)的雷達發(fā)射機原理圖

該反饋系統(tǒng)的主要作用是將雷達發(fā)射機的高頻發(fā)射信號RF轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)可識別的中頻反饋信號IF/，通過補償發(fā)射機中頻輸入信號IF的幅度和相位，提高雷達發(fā)射機的系統(tǒng)穩(wěn)定性。雙中頻超外差式雙通道脈沖補償閉環(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償閉環(huán)反饋系統(tǒng)

作為雷達發(fā)射機的反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)的構(gòu)架與雷達接收機的構(gòu)架一致。反饋系統(tǒng)最前端為大范圍步進可調(diào)衰減器，用來在出現(xiàn)大目標(biāo)回波時進行動態(tài)范圍擴展，通過后級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。雙通道微波轉(zhuǎn)換開關(guān)的主要作用是對高頻信號RF進行通道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的鏡像頻率干擾嚴(yán)重，且變頻器會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值的窄帶濾波器對信號進行濾波，但如此高Q值的窄帶濾波器不易實現(xiàn)且造價太高。為解決上述問題，發(fā)射機反饋系統(tǒng)采用雙中頻超外差式結(jié)構(gòu)，對高頻信號RF進行兩次下變頻。本振信號LO1和LO2進入混頻器之前，先經(jīng)過本Ⅰ和本Ⅱ濾波器濾除雜波。高頻信號RF經(jīng)過Ⅰ混頻下變頻，輸出高中頻信號fIF1=fRF-fLO1，再經(jīng)過采用高中頻值的Ⅰ中頻濾波器進行信道選擇，利于抗系統(tǒng)鏡頻干擾。高中頻信號IF1再經(jīng)過Ⅱ混頻二次下變頻，輸出低中頻信號fIF2=fIF1-fLO2，再經(jīng)過采用低中頻值的Ⅱ中頻濾波器進行信道選擇，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補償功率損失，將信號放大到后端處理需要的電平值。集中選擇濾波器主要用來抑制無用信號和設(shè)置接收機模擬處理的帶寬。

2 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計

2.1 控制、檢查電路的設(shè)計

控制、檢查電路主要實現(xiàn)對反饋系統(tǒng)內(nèi)微波轉(zhuǎn)換開關(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、信號檢查電路、邏輯分析模塊和驅(qū)動、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)壓電路主要通過可調(diào)穩(wěn)壓芯片LM317對輸入的電源進行調(diào)節(jié)穩(wěn)壓，以滿足后級電路的供電需求。信號檢查電路是對反饋系統(tǒng)內(nèi)微波轉(zhuǎn)換開關(guān)、混頻器、前置放大器等各模塊進行信號控制和狀態(tài)檢查。邏輯分析電路是整個電路的核心，在EPM7128S(CPLD)芯片片內(nèi)部通過編程實現(xiàn)相關(guān)邏輯功能，主要對控制、檢查電路輸出的零散檢查結(jié)果進行運算分析，輸出檢查或故障信號，這樣可節(jié)省布局空間，反復(fù)擦寫編程，降低了設(shè)計難度。驅(qū)動、顯示電路主要通過驅(qū)動發(fā)光二極管對邏輯運算電路輸出的故障信號進行顯示。

2.2 微波轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)計

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

圖4 雙通道微波轉(zhuǎn)換開關(guān)原理圖

雙通道微波轉(zhuǎn)換開關(guān)包括開關(guān)控制電路和兩個窄帶腔體濾波器。開關(guān)電路在控制信號A和控制信號B的作用下對衰減過的輸入高頻信號RF進行通道選擇，兩路加載集總電容的三階方桿梳狀窄帶腔體濾波器，對高頻信號RF進行窄帶選頻、濾波。兩路三階方桿梳狀腔體濾波器裝有3個調(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，通過調(diào)節(jié)調(diào)諧螺釘?shù)纳疃龋锤淖冋{(diào)諧螺釘端面和濾波器梳狀方桿端面的間距大小，實現(xiàn)調(diào)諧濾波器的輸出諧振中心頻點。通過配合調(diào)節(jié)調(diào)諧螺釘深度，使得輸出信號RF1和RF2相同。

2.3 Ⅰ、Ⅱ混頻器的設(shè)計

Ⅰ混頻器的作用是將輸入的高頻信號RF和Ⅰ本振信號LO1進行混頻，下變頻得到高中頻信號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RF和本振信號LO1分別經(jīng)過各自的腔體濾波器濾波后，通過混頻二極管進行混頻，下變頻得到的高中頻信號IF1。檢查信號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

濾波器主要對輸入信號進行濾波，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個耦合線平行陣列構(gòu)成，每個耦合線為一個TEM諧振器，諧振器間的耦合是通過平行耦合線間的電磁場耦合傳遞的。正對于諧振桿開路端中心處設(shè)置調(diào)諧螺釘，通過調(diào)整調(diào)諧螺釘?shù)纳疃葋碚{(diào)諧得到中心頻率。輸入輸出信號采用探針耦合方式。其余濾波器的設(shè)計原理與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

前置放大器功能電路主要提供額外的增益來補償功率損失，將信號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放大電路、中頻可調(diào)衰減電路和二級放大電路組成。一級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)衰減電路主要由長尾型差分電路變換而來，同時增加了增益調(diào)整和關(guān)閉功能。二級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級和2級放大電路中，其主要作用就是對信號進行放大，每個增益為20 dB，可滿足40 dB的增益要求。

2.6 功率放大器的設(shè)計

功率放大器是整個反饋系統(tǒng)的最后一級，主要作用是對中頻信號進行功率放大，同時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

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

一級放大電路主要由隔直電容和寬帶放大器RAM-6組成，二級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。同時為了避免過大的信號功率影響系統(tǒng)，在兩級放大電路中間引入阻抗衰減器，對信號進行可調(diào)衰減。檢波電路主要中頻信號進行檢波，得到最終中頻反饋信號。

3 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

作為雷達發(fā)射機的反饋系統(tǒng)，其主要功能是將輸入的高頻信號變頻為中頻反饋信號輸出，并且可對輸出的中頻反饋信號功率大小進行調(diào)節(jié)，同時還具備對內(nèi)部各模塊工作狀態(tài)的檢查功能。因此，實際系統(tǒng)的驗證測試構(gòu)成也主要針對以上方面進行，表1為在不同的輸入信號功率組合下，測得的中頻反饋信號輸出功率范圍。

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)過系統(tǒng)實際測試，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，滿足實際指標(biāo)需求。同時系統(tǒng)可以對相關(guān)故障進行報警燈提示，如無本振信號、無輸入高頻信號、系統(tǒng)無輸出信號等故障。

圖9 反饋系統(tǒng)測試結(jié)果

4 結(jié)論

為補償搜索雷達發(fā)射機探測信號或系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，本文基于傳統(tǒng)雷達發(fā)射機系統(tǒng)，提出了一種雷達發(fā)射機的雙通道信號補償閉環(huán)反饋系統(tǒng)。該反饋系統(tǒng)基于雷達接收機的設(shè)計理念，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)計原理。測試結(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中得到實際應(yīng)用。

[1] 王雪松, 李 盾,等. 雷達技術(shù)與系統(tǒng)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2009.

[2] Merrill I.Skolnik主編, 南京電子技術(shù)研究所譯. 雷達手冊(第三版) [M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2008.

[3] 畢建國, 吳千秋,等. 基于外差式的雷達發(fā)射機反饋系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機測量與控制, 2013,21(11):3083-3086.

[4] 楊宜康,祝轉(zhuǎn)民,等. 利用射頻誤差信號提高脈沖雷達的角跟蹤精度[J]. 信號處理, 2003, 19(1):1-5.

[5] 雷振亞, 明正峰, 等.微波工程導(dǎo)論[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2010.

[6] 吳俊晨.一體化二次變頻微波收發(fā)信機電磁兼容研究[J]. 電磁場與微波,2006, 36(5):42-52.

[7] 馬慧瑾, 田志昊, 等. 一種可調(diào)諧的S波段分波道微波轉(zhuǎn)換開關(guān)[P]. 專利申請?zhí)? 201310716728X.

[8] 馬慧瑾, 劉忠健, 等.一種可調(diào)諧的窄帶圓桿梳狀腔體濾波器的設(shè)計[J]. 計算機測量與控制, 2013,21(12):2421-3432.

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。

國家自然科學(xué)基金項目(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

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