全固態數字化脈沖相參應答機的設計

范義平

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

脈沖應答機安裝于運載火箭或導彈、衛星等飛行器上,配合地面脈沖雷達對飛行器進行精密跟蹤和軌道測量,要求具有較高的測量精度和實時性。隨著雷達技術的發展,目前脈沖應答機的頻譜純度[1]和相參性技術已有了很大提高,在此基礎上,采用全數字時延轉發、時延補償技術,可將測距精度和測速精度提高一個量級以上,可滿足測量精度和實時性要求。

作為地面脈沖雷達的合作目標,隨著雷達跟蹤距離的不同,接收來自地面脈沖雷達的強弱不同電平的詢問信號,經延時、功率放大后進行相參轉發,既增加了雷達的作用距離,又提高了地面脈沖雷達接收信號的信噪比和脈沖雷達的測量精度,不僅可以用于靶場主動段測量,也適用于落區測量[2]。

本文提出了全固態數字化脈沖相參應答機的設計思路:采用中頻數字化架構設計;單片中頻對數放大器在脈沖體制下大動態、高增益性能的應用;利用數字平臺進行電平大動態變化的時延補償;利用大功率場效應雙管功率合成技術實現穩定的百瓦級脈沖功率輸出;解決多徑效應引起的多脈沖損壞應答機的難題。

2 全固態數字化脈沖相參應答機的設計

2.1 設計思路

總的概括為“方案沿用,方法革新”。方案設計沿用傳統脈沖相參應答機頻率流程關系,避免出現新的電磁兼容問題。實現方法上用數字信號處理取代模擬電路;取消磁控管,同時也取消磁控管高壓調制電路,避免氣密和體積問題;采用固態功放作為末級輸出;增加輸入信號判別,防止多徑效應損傷應答機。

2.2 總體方案

脈沖應答機屬于典型的收發同頻工作模式,頻率設計主要考慮本振連續波信號不能對接收信道造成干擾、中頻頻率適合信號處理等,在本機設計中我們繼續沿用經過工程驗證成熟的應答機頻率關系,可以避免系統電磁兼容性等諸多問題。

全固態數字化脈沖相參應答機原理框圖如圖1所示。

圖1 全固態數字化脈沖相參應答機原理框圖Fig.1 The functional diagram of solid state digital pulse coherent transponder

全固態數字化脈沖相參應答機通過天線接收脈沖雷達上行信號,由饋線送至接收通道,經中、視頻處理電路和終端信號處理電路后送發射通道,與本振信號混頻得到與接收信號同頻的轉發信號,該信號經大功率固態微波FET脈沖功放進行放大,輸出百瓦級的射頻脈沖功率,由天線輻射到空間。

2.3 應答機轉發相參性設計

脈沖應答機收發同頻、分時復用,接收信號經過一定時間延遲后發射,由于上下混頻采用公用本振,從體制上可以保證收發信號的相參性,這是經過幾代產品大量使用反復驗證的。

全固態數字化脈沖相參應答機的基本頻率流程不變,仍保持上下混頻公用本振;在數字化中頻信號處理部分,對轉發的相參性進行專題驗證。

存儲轉發數字信號處理原理框圖如圖2所示,由A/D變換器、存儲轉發及控制電路產生器、D/A變換器以及采樣時鐘組成。

圖2 數字存儲轉發原理框圖Fig.2 The functional diagram of digital store and forward technique

設輸入信號為正弦信號為

其中,ωi為信號處理器輸入載波信號角頻率,θo為初始相位。

A/D變換器輸出的數字波形表達式為

其中,采樣值間的相位增量為 ωiΔtsi=ωifsi,fsi為A/D變換器采樣頻率。

經過延時時間τ后,輸出的數字波形表達式為

其中,ωiτ為固定相移值,k=1,2,3,…。當D/A變換器以時鐘fso對存儲數字波形進行重構,重構信號角頻率為

當A/D和D/A的時鐘頻率 fso=fsi時,則 ωd=ωi。D/A變換器輸出的重構波形表達式為

由此可知:當A/D和D/A的時鐘頻率相同時,信號處理器輸出中頻信號頻率與中頻輸入信號頻率相同,相位相差一個固定值 ωiτ,應答機能夠完成相參轉發[3]。

2.4 應答機關鍵技術設計

(1)應答機內單片中頻對數放大器在脈沖體制下大動態、高增益性能的使用

該問題的難點在于:在小面積印制板上要實現大于60 dB增益的信號放大,關鍵是排版和布局。通過屢次學習先進的排版和布局方法、建立信號線屏蔽墻、結構信號隔離、多次試驗嘗試等措施,最終獲得了較高的信號質量。

(2)利用數字平臺進行電平大動態變化的時延補償問題

利用輸入信號電平與檢波脈沖幅度之間的線性關系,建立整機轉發脈沖延時表。

方法概述為:將檢波脈沖進行A/D采樣,在FPGA內部設計一個查找表,根據A/D采樣的數字幅度,查詢延時的變化量;查找表的深度根據轉發精度的要求設定。A/D采樣速率只需要大于10/脈寬即可,有效位數根據脈沖幅度的變化情況選擇,脈沖幅度的變化情況可以根據實驗情況得出。具體的實現框圖如圖3所示。

圖3 時延補償的實現框圖Fig.3 The implementation block diagram of time delay compensation

通過以上分析以及實踐證明,信號處理補償技術設計靈活,控制時延精度高(相對延時精度小于等于5%),穩定性好(延變化小于20 ns),可生產性好。

(3)采用大功率場效應雙管功率合成技術實現了穩定的百瓦級脈沖功率輸出

采用大功率場效應雙管功率合成技術實現了穩定的百瓦級脈沖功率輸出;采取中頻和射頻同步封閉控制和收發電路異構布局措施獲得的高收發隔離度。脈沖功放模塊的大功率輸出采用由前至后逐級推動方法,末級是由2個60 W(P-1 dB)的功率放大管進行功率合成,由于脈沖體制,放大器可工作在飽和狀態,單管滿功率輸出可比P-1dB大 1～2 dB,即達75～95 W,合成效率可達90%以上,而脈沖功放工作于飽和狀態,雙工器插損小于0.6 dB,因此,應答機輸出功率可以達到120 W,實現了百瓦級脈沖功率輸出。

(4)多脈沖屏蔽技術

利用數字平臺,在程序中增加輸入脈沖個數和脈沖特性判決門,有效剔除干擾信號和多脈沖信號,使應答機不會工作在超高重復頻率下,有效保護了應答機不會因多脈沖而被損傷。

3 全固態數字化脈沖相參應答機的工程實現情況

3.1 關鍵指標測試情況

單機指標測試情況見表1,測距均值誤差小于等于0.5 m。

表1 關鍵指標測試情況Table 1 Experiment data of critical index of the transponder

3.2 工程實現及使用情況

整機外形和脈沖轉發頻譜圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 整機外形圖Fig.4 The outline of transponder

圖5 脈沖轉發頻譜圖Fig.5 The spectrum of reflecting pulse signal

全固態數字化脈沖相參應答機目前參加的試驗有環境篩選試驗、驗收試驗、典試試驗(運輸、沖擊、典型振動、加速度、噪聲、低氣壓、濕熱、貯存、正弦掃描)、電磁兼容、可靠性增長等,圓滿完成4次正式飛行試驗任務。所有試驗和任務期間技術指標均合格,未出現任何設計和質量問題。

3.3 國內外水平比對及后續想法

全固態數字化脈沖相參應答機作為國內第一批數字化外測應答機,首次在脈沖體制下采用數字平臺進行設計;整機最大延遲誤差僅為幾納秒,對接測量的均值誤差小于0.5 m;在外測領域填補了國內空白,對我國國防科學技術的發展具有重要意義。該應答機具有體積小、重量輕、可靠性高、生產性良好等特點,經過指標測試和飛行器實飛使用,技術指標滿足優良,其整體技術水平居國內領先。

美、俄、歐空局為代表的國外航天測控系統,星/箭/彈載外測設備均向著高集成度數字化的方向發展,其星/箭/彈載外測應答機測量精度相當高。

隨著技術的進步和實際的需求,脈沖相參應答機將配合地面雷達站進行測速精度的研究和提高,縮短與國際水平差距。

4 結束語

全固態數字化脈沖相參應答機采用以可編程邏輯器件(FPGA)為核心,中頻電路實現了數字化、軟件化,其優點是體積小、重量輕、精度及可靠性高、生產性良好等,其整體技術水平居國內領先。該產品已成功應用于靶場外測系統中,其設計原理和方法已在其他同類產品中被采用。

[1] 徐敏.單脈沖測量雷達測速技術研究[J].現代雷達,2005,27(1):58-61.XU Min.A Study on Velocity Measurement of Monopulse in strum entation Radar[J].Modern Radar,2005,27(1):58-61.(in Chinese)

[2] 劉嘉興.飛行器測控通信工程[M].北京:國防工業出版社,2010.LIU Jia-xing.Spacecraft TT&C and Communication Engineering[M].Beijing:National Defense Industry Press,2010.(in Chinese)

[3] 陳霞.數字脈沖應答機的時延補償方法[J].電訊技術,2010,50(4):65-67.CHEN Xia.Time Delay Compensation Method for Digital Pulse Transponder[J].Telecommunication Engineering,2010,50(4):65-67.(in Chinese)