新型電離層探測儀發射系統設計*

潘凌云，楊國斌，許晨，劉桐辛

(武漢大學電子信息學院，武漢430072)

新型電離層探測儀發射系統設計*

潘凌云，楊國斌*，許晨，劉桐辛

(武漢大學電子信息學院，武漢430072)

為了實現整機系統通帶高增益性能、兼容多種探測編碼體制，同時采用一副天線進行收發探測，武漢大學研制的新型電離層探測儀的發射系統采用了軟件無線電思想和模塊化設計，系統由波形產生模塊、功放單元模塊和收發開關模塊構成。實驗結果表明，該發射系統在日常探測中實現了多種電離層探測方式，在實時獲取豐富的電離層探測結果同時，方便攜帶且工作性能穩定。

發射系統;軟件無線電思想;模塊化設計;功放單元;收發開關

電離層探測儀是一種工作在短波頻段的雷達系統，依據電離層對短波頻段無線電信號反射的原理，它可對電離層進行實時觀測并獲取電離層信道的散射函數，進而通過反演得到電離層高度及其電子濃度的變化特征［1-3］。電離層是通訊信道和高頻無線電電波傳播重要組成部分，作為主要的地基電離層觀測設備，電離層探測儀可以對電離層狀態參量進行實時的監測，因此，它對空間物理學的研究和國防建設具有重要意義［4］。但是，目前的電離層探測儀往往采用單一的探測體制和探測波形，不能兼顧多種探測模式和被測目標的特性，導致系統的可升級性和可擴展性不強［5］。同時，現有的電離層探測儀基本上都是采用兩副或者多副天線進行探測，發射天線和接收天線分開放置，這不僅使得探測場地要求較高、天線架設難度和成本增加，也會因為天線之間的能量耦合對探測效果產生一定影響［6-7］。

為了解決上述問題，武漢大學研制了一種新型的電離層探測儀發射系統。該系統的波形產生模塊依托直接數字頻率合成器進行全軟件化參數配置，針對不同的探測需求，可靈活地配置不同的探測波形和探測參數;功放單元模塊采用固態發射機技術，在整個短波工作帶寬內可實現通帶增益平坦、低諧波輸出;同時，大功率短波天線開關的實現使得原來的收發天線分置可改進為收發共用一副天線，簡化了探測系統的硬件結構，降低了系統的架設難度和對場地的要求。新型電離層探測儀的設計不但精簡了探測設備、降低了成本、豐富了探測方式和改善了探測效果，也為構建天線陣列收發一體化帶來了應用前景。

1 新型電離層探測儀發射系統設計

新型電離層探測儀發射系統主要由波形產生模塊、功放單元模塊和收發開關模塊組成，其系統結構如圖1所示。系統探測時，計算機設置收發開關為發射狀態，通過控制傳輸方式使USB接口芯片向現場可編程門陣列(FPGA)寫入波形發生模塊的頻率控制字、相位控制字等信息，使得直接數字頻率合成器產生探測波形，信號再通過功放單元模塊由HF偶極子天線向外完成發射;系統接收時，收發開關設置為接收狀態，信號由天線進入接收系統，采集的數據被批量傳輸至計算機進行處理與分析。同時，為了對大范圍的電離層動態變化情況進行實時監控，多臺探測儀使用GPS信號實現同步收發。

圖1 新型電離層探測儀系統框圖

1.1 波形產生模塊設計

電離層探測時，假定發射信號為s(t)、經過解調后的回波信號為g(t)，表達式分別為:

式中，a(t)為調制的窄帶信號，f1為載頻，τ為相對時延，ρ為探測路徑，h(t，τ)為電離層信道的脈沖響應函數。

當a(t)的自相關函數具有類似Dirac形狀的特點時，將發射信號s(t)延時td后與回波信號g(t)作

時間長度為T1的互相關運算，并且信道在T1時間內處于穩態，那么互相關函數在時刻t1有:

因而，當探測碼制具有較好的自相關特性時，通過多次探測可獲得電離層信道的脈沖響應函數，進而可獲取電離層的一系列特性。目前的電離層探測儀僅采用單一的調制序列和調制方式進行探測，無法兼顧多種探測模式和被測目標的特性，造成系統的可升級性差和擴展性不強［5］。因而，新型電離層探測儀發射系統設計了波形產生模塊，對于不同的探測應用，通過配置對應的軟件化參數選擇不同的探測方式和探測體制。探測波形產生模塊由直接數字頻率合成芯片AD9958實現。AD9958是ADI公司的高性能集成直接數字頻率合成器件，最高工作時鐘可達500 MHz，內部集成兩個獨立的數字頻率合成器(DDS)內核，分別用于實現本振信號和發射信號輸出。通過配置內部寄存器，能實現最高16級的ASK、PSK、FSK調制和線性的幅度、相位、頻率掃描。

對于垂直探測與移動目標探測，由于回波功率相對較大，要求探測快，而相關特性較好的巴克碼和互補碼可滿足該探測應用的需求［8］。對于斜向探測和斜向返回探測，由于回波信號較弱，因而采取自相關性好且增益高的偽隨機碼，如m序列［9］。圖2是基于AD9958設計的m序列以及巴克碼波形圖。

圖2 基于AD9958設計波形示意圖

圖2中，CLK為系統時鐘，代表基帶速率;A(t)為相位脈沖調制編碼，長度為n;B(t)為經AD9958相位調制的輸出波形;C(t)為幅度控制信號，代表輸出幅度有無;T3為探測周期。對于7階m序列，調制序列長度n為127，發射脈沖寬度Tp為25.6 μs，距離分辨率為3.84 km，占空比(T2/T1)為20%，第一無盲區無模糊探測距離為19.2 km。探測中，碼元以等間隔方式交替發射和接收，系統可接收遠近距離的探測回波。對于7 bit的巴克碼，脈寬Tp為

25.6 μs，距離分辨率也為3.84 km;發射脈沖寬度為

加快建立適應社會主義市場經濟體制和可持續發展要求的區域水資源統一管理體制，進一步完善城鄉水務一體化管理，為推進城市水務市場化提供體制保障。要通過健全制度、完善政策法規和城市水務市場規則的手段，為外資、民營資本進入水務市場營造良好的市場環境，保證各類資本在水務市場中的公平競爭、依法經營。

179.2 μs，發射占空比(T4/T3)為5%，盲區距離為

26.88 km;最大探測距離為1075.2 km。m序列和巴克碼在實際探測應用時，其占空比、探測次數、碼序列長度等參數均可通過軟件靈活設定。

1.2 功放單元模塊設計

功放單元模塊是電離層探測系統中的核心模塊之一。功放單元的主要功能是將信號激勵元產生的射頻信號進行放大，然后饋送到發射天線端。從發射天線端輻射出去的電磁波信號經過自由空間傳輸損耗和電離層傳播損耗，返回到接收天線端的信號能量將大幅衰減，因此，只有保證功放單元的增益性能，回波信號才能在接收機的靈敏度門限以上［10-11］。同時，為減小功放單元模塊對探測效果的影響，需保證整個短波工作帶寬內的諧波失真低、增益平坦。

探測儀功放單元模塊的具體指標有:工作頻段為2 MHz～30 MHz;輸入功率為0 dBm;輸出功率為53 dBm;增益平坦度低于±0.5 dB;諧波輸出為低于-20 dBc。

針對于目前的寬帶固態放大器特性，單片的功率放大器芯片增益往往僅為十幾分貝，鑒于此，結合市面上成熟的短波功率放大器件，需要使用三級功放電路級聯實現53 dB的增益需求。第1級使用MW6S004作為小信號放大器，其最大輸出功率為36 dBm，在探測頻段內設計增益為17 dB，當輸入信號為0 dBm，該級輸出功率為17 dBm推動級選用MRFE6VS25L，其最大輸出功率可達44 dBm，設計增益為19 dB，輸出功率為36 dBm。末級使用MRF6VP11KH，采用推挽結構，其最大輸出功率可達60 dBm，由于探測儀發射系統功放單元模塊輸出功率在53 dBm以上，因而設計增益為17 dB。使用Advanced Design System(ADS)對上述三級放大電路進行S參量仿真和諧波平衡分析，采用寬帶匹配技術、負反饋技術和負載牽引技術，使功率放大器能盡量穩定地工作于AB類狀態，在滿足功率要求的同時盡量保證一定的線性度［12］。圖3是功放單元模塊設計與仿真框圖。

圖3 功放單元模塊設計與仿真框圖

1.3 收發開關設計

原有的電離層探測儀天線收發分置，不僅使得探測場地要求較高、天線架設難度大，還會因為收發天線之間的互耦而影響探測結果。新型電離層探測儀設計了收發開關，在解決上述問題同時可實現收發共用一副天線。收發開關使用PIN二極管作為核心器件，利用PIN二極管的導通電阻大小隨正反偏置電流的變化關系可以實現高速開關功能［13］。電離層探測中，開關需具有切換速度快、隔離度高和插入損耗低的特性。較高的隔離度和較低的插入損耗可以確保在發射大功率信號時，開關器件的消耗功率小，而接收機幾乎不受干擾。電離層探測儀要求收發開關在工作頻帶內(2 MHz～30 MHz)的插入損耗低于1 dB，隔離度大于70 dB，開關速度低于基帶速率25.6μs，而承受峰值功率大于53 dBm。

由PIN二極管構成的單極單擲(SPST)電路有4種基本拓撲結構:串聯型、并聯型、串并聯型和串并串型［14］。串并結構相對其他3種拓撲結構具有隔離度高、插入損耗低的優點，因而選擇串并聯型結構作為SPST電路基本的結構，開關結構如圖4所示。圖4中，當驅動電路1、3正向偏置且驅動電路2、4反向偏置時，PIN1、PIN3截止，PIN2、PIN4導通，此時收發開關工作于發射模式;當驅動電路1、3反向偏置且驅動電路2、4正向偏置時，此時電路工作于接收模式。為方便仿真與測試，PIN二極管均使用同一型號二極管。

圖4 收發開關結構示意圖

式中，f為的工作頻率;Z0為負載阻抗;L為PIN二極管等效串聯電感;CT為二極管的電容;RP為并聯電阻;RS為串聯電阻。

當工作頻率為10 MHz時，并參考二極管的數據手冊，由式(7)和式(8)可算得開關的插入損耗為

0.44 dB，隔離度為98 dB，均優于探測儀設計指標，滿足設計要求。

二極管在導通與截止的切換過程中存在時延特性，因而開關設計對每路偏置電壓采用獨立控制信號，通過測出時延，可精確控制每路二極管狀態，從而有效避免發射信號對接收系統的干擾，還可保證接收系統完整地接收回波信號。

2 測試結果

新型電離層探測儀發射系統測試包含:功放單元模塊的測試、收發開關的測試和電離層探測儀整機測試。

圖5為功放單元模塊在短波段增益的仿真與測試的結果。ADS仿真結果的增益平坦度為±0.35 dB，實測為±0.45 dB，均低于設計的±0.5 dB;而實際測試的第2次諧波失真以及第3次諧波失真都低于-20 dBc，為了取得更好的諧波失真，可以考慮加入自適應濾波電路。

圖5 功放單元模塊測試結果

圖6與圖7為收發開關測試仿真與實測結果。在ADS仿真中，對PIN二極管的導通與截止狀態分別使用等效模型代替。對于圖6，實際測得的隔離度大于80 dB，插入損耗低于0.5 dB。而實驗測試結果與仿真結果的差異主要是由于仿真器件與實際使用的器件存在一定的差異，如電容的等效串聯電阻阻值隨工作頻率的變化有較大的差異，另外存在寄生電感、電容等，因而實際測試插入損耗值低于仿真結果。實際中，可通過采用具有更好特性的電容、電感解決該問題，如ATC100E系列的電容可以克服等效串聯電阻隨頻率變化大的影響等。圖7是開關速度的測試結果，開關的上升時間僅為6.3μs，而下降時間為14.6μs，因而開關速度足夠高且比已有的一些窄帶開關速度更快(約為40μs)［15］。

圖6 開關的隔離度以及插入損耗

圖7 收發開關的開關速度測試結果

圖8為電離層探測儀測試的結果，探測時間為北京時間2015年12月03日11時45分，在云南省普洱市(22.7°N，101.05°E)利用新型電離層探測儀進行垂直探測，使用掃頻模式，發射功率為53 dBm，以100 kHz的步進頻率從2 MHz掃頻至16 MHz。圖8中可以清楚地看到E層，F1層和F2層的虛高分別為98 km、205 km和280 km;尋常波的E層、F1層和F2層的臨界頻率分別為4.0 MHz、4.7 MHz和12MHz;非尋常波的E層、F1層和F2層的臨界頻率分別為4.2 MHz、5 MHz和12.8 MHz;在420 km以上還可看到二跳回波以及由多徑效應引起的回波。

圖8 電離層探測儀測試結果

3 結論

本文介紹的新型電離層探測儀發射系統由軟件化的信號產生模塊、功放單元模塊和收發開關模塊組成，從實際的探測結果可以看出，該發射系統可獲得高質量的電離層探測回波信息，能夠滿足常規的電離層探測需求。該發射系統創新性地改變了常規電離層探測儀的工作體制和工作方式，依托通帶增益性能高的功放單元和大功率短波天線開關，采用一副天線即可實現常規的電離層觀測，使得探測設備能夠更加精簡，便攜性得到很大的提高。同時，探測碼制和探測參數可以靈活地通過軟件進行配置，使得電離層探測儀可以依據不同的探測環境和目標特性進行探測，不但可以用來對軟目標電離層進行常規觀測，同時可以對硬目標(飛機、艦船等)進行探測，拓展了電離層探測儀的應用。

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潘凌云(1990-)，男，漢族，江西南昌人，武漢大學電子信息學院碩士，主要研究方向為空間探測與信息處理技術，partain_ply@whu.edu.cn;

楊國斌(1983-)，男，漢族，江西高安人，武漢大學電子信息學院副教授，博士，主要研究方向為空間探測技術，gbyang@whu.edu.cn;

許晨(1993-)，男，漢族，湖北荊州人，武漢大學電子信息學院碩士，主要研究方向為空間探測與信息處理技術，2011301200221@whu.edu.cn;

劉桐辛(1993-)，男，漢族，遼寧鐵嶺人，武漢大學電子信息學院碩士，主要研究方向為儀器科學與技術，2015202120049 @whu.edu.cn。

Design of Transm itting System for a New Type of Ionosonde*

PAN Lingyun，YANGGuobin*，XU Chen，LIU Tongxin

(School of Electronic Information，Wuhan Univ，Wuhan 430079，China)

In order to implement the whole system great gain performance in the high frequency band，achieve a variety of encoding detection system and use the same antenna to transmit and receive signal，a novel transmitting system forWuhan University ionosonde was introduced.According to the techniques of software radio and modular design，the system was designed and achieved.The transmitting system consists ofwaveform producedmodule，power amplifiermodule and transceiver switch module.Experiments proved that the system can offer various types of detecting waveform，obtain abundant result of detecting ionosphere in real-time and make the sounding system more portable and stable in the daily detection.

transmitting system;software radio;modular design;amplifiermodule;transceiver switch

C:6320;7710B

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.026

TN957.3

:A

:1005－9490(2017)01－0136－06

項目來源:國家自然科學基金項目(41304127，41327002)

2016-01-24修改日期:2016-02-25