一種便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊的設計與實現

王陰雨

（南京電子技術研究所，江蘇南京，210039）

0 引言

在當前數字陣雷達系統中，頻率源產生時鐘信號和本振信號，經由各開關組件、功分網絡送至雷控、定時和天線陣面等系統[1]，組件或電纜的故障會造成信號無法正常傳輸，而對各個節點射頻信號功率的檢測是定位、排除故障的常規手段。在雷達陣面系統調試、維護過程中，一般會配置頻譜儀作為射頻信號檢測用，但因信號測試點一般位于雷達天線車上較高位置，空間受限，操作既不方便也不安全，并且相對于頻譜儀昂貴的價格，長期僅作為雷達陣面調試或外場維護時的檢測儀表，利用率和性價比都比較低，故針對雷達陣面射頻信號檢測需求，設計一款具備便攜性、易用性、經濟性的射頻信號檢測模塊。

1 總體設計

當前雷達陣面調試維護時涉及的射頻信號主要是時鐘信號和本振信號[2]。時鐘信號頻率一般在100MHz 左右；本振信號的頻率范圍則較寬，可分為一本振、二本振，覆蓋了P、L、S 等頻段。信號的功率在各個節點有所不同：時鐘信號從頻率源輸出時功率一般要求大于10dBm，經過射頻電纜傳輸至雷控和定時系統時大概為5dBm，傳輸給陣面時鐘放大功分器時大概在0dBm。本振信號至各開關組合和功分網絡時功率一般要求在5～10dBm。信號形式方面，時鐘信號為連續波，本振信號可分為連續波形式的工作本振和脈沖調制形式的激勵本振。綜合雷達陣面射頻信號在頻率、功率和信號形式方面的要求，便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊的主要設計指標參數如下：

（1）頻率檢測范圍：100MHz～6GHz

（2）功率檢測范圍：-10dBm～10dBm

（3）脈寬檢測范圍：10us～CW

（4）輸入阻抗：50Ω

（5）射頻接口：SMA

（6）電源接口：USB

便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊采用USB 接口+5V供電，可使用移動電源供電，既保證了便攜性，也解決了天線車上使用交流電不便的困難，由HE112 檢波器實現射頻功率檢波到TTL 電平輸出，通過555 集成定時器、CD4017計數器、CD4066 開關的組合電路實現檢測門限自動調節功能，根據檢測到的功率強度自動點亮對應的LED 發光二極管，讀出功率值。工作流程圖如圖1 所示。

圖1 工作流程圖

2 電路設計

便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊由射頻檢波電路、檢測門限自動調節電路、信號輸出指示、電源接口四部分組成。電路原理圖如圖2 所示。

■2.1 射頻檢波電路

射頻檢波電路選用中國電科第十三研究所生產的HE112 檢波器（U1），主要利用二極管檢波器和寬帶匹配技術的原理，將微波信號變為低頻信號，再與設定的門限基準電平進行比較判定后，轉換為TTL 電平輸出。HE112將射頻微波電路和數字電路技術結合在一起，在很小的體積內實現了從模擬信號到數字信號的轉換過程[3]。HE112檢波器內部具有溫度補償失真小，+5V@5mA 的靜態低功耗，可檢測脈沖寬度從0.2μs 到連續波的射頻信號，檢測頻率從100MHz～6GHz 的寬頻帶信號，輸入功率檢測范圍為-10dBm～15dBm，性能參數可以滿足當前雷達陣面調試維護時對P、L、S 頻段各時鐘、本振信號的檢測要求。檢波電路工作原理見圖3。

圖3 檢波電路工作原理圖

HE112 檢波器為SP-3 全密封金屬封裝，1 腳接門限調節電阻，2 腳為射頻信號輸入端，3腳接地，4腳為空，5 腳為TTL 電平輸出端，6 腳接+5V 供電。管腳定義見圖4。

圖4 HE112 型檢波器管腳定義

HE112 檢波器通過調節Rth 電阻值實施比較門限控制，Rth 調節電阻阻值范圍在90Ω～5kΩ之間。調節電阻與輸入功率關系曲線見圖5。

圖5 調節電阻與輸入功率關系曲線

HE112 檢波器輸入功率與頻率關系曲線如圖6 所示，由圖可知在100MHz～6GHz 的大帶寬范圍內，高中低頻點間的起伏控制在2dBm 以內，具有較好的一致性。

圖6 輸入功率與頻率關系曲線

■2.2 檢測門限自動調節電路

檢測門限自動調節電路由555 定時器、CD4017 計數器和CD4066 開關構成。

在HE112 檢波器的1腳連接了2 個CD4066 開關（U4、U5），每 個CD4066開關內部由4 組相互獨立的低阻抗模擬開關組成，2 個CD4066 構成8 組開關連接了8 個不同阻值的調節電阻（R1～R8），每組開關有一個控制信號連接CD4017計數器（U3）的Q0～Q7輸出，控制信號為高電平時，該路開關呈導通狀態[4]。CD4066 集成電路邏輯如圖7 所示。

圖7 CD4066 開關邏輯圖

集成電路NE555（U2）是一種中規模集成電路，它將模擬功能與邏輯功能結合在同一個芯片上，通過設置電阻R18、R19 和電容C1 的大小，就能方便地構成非穩態多諧振蕩器電路，產生所需頻率的脈沖信號[5]。使用Multisim軟件對NE555 定時器脈沖信號輸出進行仿真，仿真波形見圖8。

圖8 NE555 定時器脈沖信號輸出仿真

集成電路CD4017（U3）是5 位Johnson 計數器，具有10 個譯碼輸出端，當CD4017 的14 腳時鐘輸入端收到NE555 計時器送來的脈沖信號時，CD4017 計數器的10 個輸出端依次輸出高電平[6]。將CD4017 的9 腳Q8 輸出端與15 腳復位端相連，即使用Q0～Q7 前8 路輸出的高電平作為CD4066 開關的控制信號，逐一連通8 個門限調節電阻。只有當13 腳禁止端收到HE112 檢波器輸出的高電平時CD4017 計數器才停止計數，否則CD4017 計數器一直循環計數，實現檢測門限自動調節功能。CD4017 計數器邏輯圖見圖9。

圖9 CD4017 計數器邏輯圖

■2.3 信號輸出指示電路

如圖10 所示，在CD4017 計數器Q0～Q7 輸出端各連接一個LED 發光二極管（LED1～LED8），每個發光二極管對應一個功率值，分別為-10dBm、-5dBm、0dBm、2dBm、4dBm、6dBm、8dBm、10dBm。當計數器依次打通CD4066 開關時，LED1～LED8 也被依次點亮。當HE112 檢波器檢測到射頻信號，5 腳輸出高電平至CD4017 計數器13 腳禁止端，CD4017 計數器停止計數，LED1～LED8 其中的一個保持常亮，與它連接的就是被打通的開關通道，對照功率指示刻度尺，即可讀出功率值。

圖10 外觀圖

■2.4 電源接口

便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊所需的+5V 直流電源由外部供電，接口為USB 口，可外接手機充電寶等移動電源，方便分離便于攜帶。LED9 作為電源指示燈在開關J1導通后被點亮。

3 測試驗證

使用信號源在多個頻點輸出固定功率和形式的信號給射頻信號檢測模塊，對比測量結果與設定值之間的誤差，分別進行射頻連續波信號和射頻脈沖信號測試，脈沖寬度取1μs 和1ms 兩種形式，測試數據見表1、表2。

表1 連續波信號測試

從表1、表2 數據可以看到，便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊的功率誤差值均在±2dB 以內，并且對連續波和脈沖信號均能有效地檢測。

表2 脈沖信號測試

4 結論

便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊制作成本低，使用移動電源供電，成品長寬高尺寸控制在7cm×5cm×3cm 內，體積小巧便于攜帶，尤其適合外場雷達陣面調試維護時使用；具有大范圍頻率帶寬和連續波、脈沖信號檢測功能，可以對P、L、S 波段雷達陣面涉及的各種時鐘和本振等射頻信號進行快速檢測，提高排故效率，具有工程實用性。通過配合放大器和衰減器使用，也可以作為特殊作業環境時射頻信號功率檢測的一種補充設備。