基于對數放大器的三通道合一測角方法

陳 煦, 鄧 春, 呂海飛, 何文青, 楊 揚

(上海無線電設備研究所,上海 201109)

0 引言

和差振幅單脈沖測角體制是制導系統常用的測角體制之一。回波測角信道將和信號、俯仰差信號、偏航差信號混頻為中頻信號,兩路差信號經頻率、相位多路復用處理后,與和信號合成一路類似調幅的合成信號,經主中頻放大器放大、自動增益控制(AGC)及和差信號歸一化處理后,再進行包絡檢波和解調,形成俯仰和偏航兩路角誤差信號[1]。這種測角方法因電路角誤差解調時間較長,不適用于短時目標角位置信息提取,且為了保證動態范圍,需要進行級聯中頻放大和自動增益控制,電路結構復雜。

本文以單脈沖比幅測角方法為例,采用連續檢波對數放大器作為主要器件,實現回波信道的瞬時大動態檢波。連續檢波對數放大器動態范圍較大,檢波信號輸出時間較短,且檢波信號輸出幅度與輸入信號的調制度成正比,與輸入信號的強弱無關。這種測角信道設計大大降低了回波信道的復雜度,縮短了角誤差解調時間,適用于要求測角快速響應的制導系統[2]。

1 單脈沖比幅測角原理

單脈沖和差比幅測角是利用同一角平面內兩個偏軸對稱的相同波束,將其同時接收到的回波信號做和差運算后再進行比幅測角。單脈沖和差比幅測角天線方向圖示意如圖1所示。其中,θ為目標偏離天線電軸中心的角度,G為天線增益。

圖1 單脈沖和差比幅測角天線方向圖示意

設天線方向性函數為F(θ)。若兩天線波束的偏角為±Δθ,則兩個波束的方向性函數F1(θ)和F2(θ)分別表示為

對式(1)進行泰勒級數展開,可得

式中:μ為θ=0°處的差波束斜率。和波束方向性函數F∑(θ)和差波束方向性函數FΔ(θ)分別為

點目標回波信號可表示為

式中:a為點目標回波信號幅度;ω(t)為回波信號角頻率;φ為回波信號初始相位。

設目標偏角為θ0,則點目標回波的和信號S∑(θ0,t)和差信號SΔ(θ0,t)分別為

當θ0小于天線主瓣寬度時,可得

從上面分析可見,天線輸出的差信號與和信號的比值,與目標相對天線電軸的偏角成正比。偏角的方向決定了差信號與和信號相位差。目標偏向天線電軸正象限時,相位差為0°,輸出的角誤差信號為正;目標偏向天線電軸負象限時,相位差為180o,輸出的角誤差為負。

常見的單脈沖比幅測角通道設計有三通道獨立與三通道合一兩種方案。三通道獨立測角方案將和差三通道輸出信號分別進行放大、濾波及比幅處理。該方案對三個通道的增益一致性與相位一致性要求很高,硬件及算法復雜。三通道合一測角方案將俯仰差信號與偏航差信號進行頻率與相位多路復用處理,然后與和信號相加形成一路信號,在一個公共接收通道內進行放大、自動增益控制和檢波,基本上消除了由于和差信號在不同通道放大引起的增益和相位的不一致,準確保持了從天線所接收到的目標偏角信息,能很好地滿足尋的制導系統的測角精度要求。三通道合一測角是制導系統常用的測角方案。

2 三通道合一測角方法

基于三通道合一測角闡述和差比幅測角的具體實現方法。三通道合一比幅測角的實現原理如圖2所示[3]。

圖2 三通道合一測角的實現原理框圖

測角接收機采用倒置接收方式,濾波器設置在信道主要增益的前端。俯仰差中頻信號Uα(t)與偏航差中頻信號Uβ(t)被兩路低頻正交信號c o s 2 πfmt與s i n 2 πfmt調制后(fm為調制頻率),與和中頻信號UΣ(t)綜合成一路類似調幅的合成信號;再由主中放進行級聯放大、自動增益控制及歸一化處理;最后進行包絡檢波和同步解調,形成俯仰與偏航角誤差信號。回波天線接收目標回波信號,通過天線中的和差器轉換形成和信號及俯仰差、偏航差信號,三路信號與本振進行超外差混頻形成三路中頻信號

式中:aΣ(t)表示目標回波信號經過天線轉換后形成的和信號幅度;aα(t)=qαaΣ(t)表示回波經過天線轉換后形成的俯仰差信號幅度,其中qα為俯仰方向上目標相對天線電軸的夾角;aβ(t)=qβaΣ(t)表示回波經過天線轉換后形成的偏航差信號幅度,其中qβ為偏航方向上目標相對天線電軸的夾角;f1為中頻頻率。

俯仰差與偏航差中頻信號分別被兩路正交的低頻信號進行抑制載波調制后,與和信號相加,綜合成一路類似調幅的合成信號

式中:φ(t)為合成信號的相位。對式(10)進行歸一化處理后得到

式(11)中歸一化信號的包絡包含俯仰通道和偏航通道的角誤差信息。采用這種方法在一個通道中完成對和差信號的放大和自動增益控制,保證了三路和差信號的幅相一致性[4]。

為了保證接收機的靈敏度和動態范圍,對信號進行濾波、放大和歸一化處理,并對調理好的信號進行檢波,檢波后輸出的包絡信號為

最后通過解調及低通濾波,就可以得到俯仰通道的角誤差信號uα和偏航通道的角誤差信號uβ,可分別表示為

兩路角誤差信號正確表征了目標相對天線電軸的偏角信息,能夠準確引導回波天線指向目標。

這種測角方案雖然能夠準確提取目標偏角信息,但為了保證信道的動態范圍達到100DB(天線接收的回波信號動態范圍通常為100DB),在中頻處理時需要采用級聯放大與AGC電路,導致電路結構復雜、可靠性降低、調試難度增大。同時,采用級聯中放、級聯AGC及包絡檢波等電路,將使檢波信號建立時間偏長(通常大于5Ms),導致測角響應速度慢,無法適應制導系統的高響應速度要求。

3 基于對數放大器的測角方法

3.1 連續檢波對數放大器特性理論分析與仿真

連續檢波對數放大器是由數級特性相同的限幅放大器級聯而成的。對于某級放大器而言,當輸入電壓較小時,放大器工作在線性區,當輸入電壓較大時,放大器工作在限幅區。連續檢波對數放大器的對數振幅特性是由數級限幅放大輸出信號檢波電壓相加得到的,利用這種方法得到的振幅特性近似于對數關系。圖3為連續檢波對數放大器的原理框圖。

圖3 連續檢波對數放大器原理框圖

圖3中,ui為輸入的中頻幅度包絡信號,uo為對數放大器輸出的幅度包絡信號。設n級放大器的放大倍數均為K,n個檢波器的傳遞系數均為Kj,當n級放大器均工作在線性區時,相加器輸出信號可表示為

當第m級放大器正好處于限幅狀態,限幅輸出電平為ul,則相加器輸出信號可以表示為

此時等效輸入信號為

當第1級正好處于限幅狀態時,相加器輸出信號為

此時等效輸入信號為

可以得到

由式(21)可知,連續檢波對數放大器的輸出信號和輸入信號的幅度包絡近似成對數關系。

調制度為M的調幅(AM)信號可以表示為

式中:fAM為調制的正弦信號頻率。

當連續檢波對數放大器輸入AM信號時,對應的輸出信號

根據式(23),對數放大器輸出信號包含交流分量uo,ac和直流分量uo,dc,表達式為

直流分量的大小與輸入AM信號的載波幅度ui成正比。交流分量的最大值和最小值為

根據交流分量的最大值和最小值,可以計算得到交流分量的幅度

由式(26)可知,輸入AM信號時,對數放大器輸出信號的交流分量的幅度和輸入的AM信號調制度M成正比,而與輸入的AM信號載波幅度ui無關。

AM調制信號經過對數放大、檢波,輸入和輸出信號波形的仿真結果如圖4所示。

圖4 連續檢波對數放大器仿真結果

由圖4可知,輸入AM信號時,對數放大器輸出信號包含直流分量與交流分量,直流分量的大小和輸入AM信號的載波能量成正比。

輸出信號交流分量的幅度與輸入信號調制度M的關系仿真結果如圖5所示。

圖5 輸出信號交流分量幅度與輸入信號調制度的關系

可知,當輸入AM信號的調制度M小于50%時,對數放大器輸出信號交流分量的幅度與輸入信號調制度M成線性關系。

一般在回波天線的和波束范圍內搜索跟蹤目標。在和波束內天線輸出的和信號功率比差信號功率大6DB以上。則采用圖2的測角方法,和差三路信號相加后得到的類似調幅的合成信號的調制度不超過50%。而對于調制度小于50%的調幅信號,對數放大器輸出的交流分量幅度與調制度成線性正比關系。因此可以采用連續檢波對數放大器實現圖2中的級聯主中放、級聯AGC電路和包絡檢波電路的功能。

連續檢波對數放大器有較大的動態范圍,單級對數放大器動態范圍通常能達到90DB以上,其輸出信號的建立時間也較短,通常小于0.1μs[5]。采用連續檢波對數放大器進行測角設計,可以簡化回波測角的復雜度和調試難度,提高可靠性,同時縮短角誤差的建立時間。

3.2 基于連續檢波對數放大器的測角方法

采用連續檢波對數放大器代替圖2所示傳統測角系統中的級聯中放、級聯AGC和包絡檢波電路,實現放大、自動增益控制、和差信號歸一化、檢波的功能。基于連續檢波對數放大器的導引頭測角系統的原理框圖如圖6所示。

圖6 基于連續檢波對數放大器的測角方法原理框圖

連續檢波對數放大器輸出信號的直流分量與輸入信號的載波能量成正比,交流分量的幅度與輸入的調制度成線性正比關系,且與載波能量無關。可將經過低通濾波的直流分量作為回波能量指示,將經過隔直電容后提取的交流分量送至兩路乘法器,分別與兩路正交調制信號相乘,解調出俯仰與偏航角誤差信號。

連續檢波對數放大器可以采用的典型器件,如A D8310、A D8309、A D608等,其輸入信號功率一般要求為(-80～+15)DB mW,動態范圍為95 DB。回波天線輸出的回波信號功率一般為(-130～-30)DB mW。為了保證對數放大器可以處理回波信號的最小功率,其相加器前端的預放大增益應不小于50DB。

若相加器前端的預放大增益為50DB,當回波信號功率達到最大值-30DB mW時,如不加衰減,對數放大器的輸入端信號功率為+20DB mW,超出了對數放大器允許的輸入信號功率上限+15DB mW。因此需在對數放大器的前端電路中設置一級固定衰減器,當預放大后輸出信號功率超出對數放大器的輸入信號功率上限時立即使能固定衰減器,使對數放大器輸入信號功率始終在器件允許范圍內。

4 試驗驗證

在不同回波功率和不同目標偏角情況下,對基于連續檢波對數放大器的回波測角電路進行測試。

在目標的俯仰或偏航偏角為2°時,不同回波功率下,即不同的信號檢波幅度下,目標的偏角測試結果如表1所示。

表1 不同回波功率時的目標偏角測試結果

在回波功率為-80DB mW時,不同輸入目標偏角下的目標偏角測試結果如表2所示。

表2 不同目標偏角時的目標偏角測試結果

上述測試結果表明,對數放大器輸出的檢波信號幅度與目標偏角成正比且是線性的關系,而與接收到的回波功率無關,用該檢波信號解調輸出的角誤差所表征的目標偏角與真實的目標偏角基本一致,且角誤差信號的建立時間短(不超過200μs)。因此基于連續檢波對數放大器的回波測角設計完全適用于對角誤差檢測響應速度要求較高的應用場景。

5 結論

連續檢波對數放大器具有動態范圍大、輸出信號建立時間短、輸出交流分量與輸入調制度成正比等特點,可以用于單脈沖回波測角系統。基于連續檢波對數放大器的測角方法具有結構簡單、調試簡便、可靠性高等優點,縮短了角誤差信號的建立時間,適用于對測角響應速度要求較高的制導系統。