一种多频段无人直升机载雷达信号模拟器收发系

摘　要：摘要：介绍了一种多频段无人直升机载雷达信号模拟器收发系统关键技术及其实现。该收发系统由UHF~Ku等六个频段组成，采用了多频段信号融合、强电磁兼容、大动态接收、微型化集成、高稳定抗振频率合成等技术。

关键词：关键词：多频段，无人直升机载，收发系统

中图分类号：TP302.1    文献标识码：A      文章编号：
    1.引言
    雷达信号模拟器是仿真雷达技术性能的特种电子设备，它既可用于雷达系统性能的测试和评估，又可模拟近似电磁环境下我方设备与对方设备的ECM机理和过程，定量检验被测设备的干扰效果。本文介绍一种应用于无人直升机平台的多频段雷达信号模拟器收发系统。
    该信号模拟器收发系统是某无人直升机载雷达综合保障电子设备的主要组成单元，具有空中动态模拟雷达辐射信号的功能，系统平台采用了小型无人直升机，要求收发系统单套设备重量低于直升机有效载荷的一半，并有优良的抗振性能。收发系统的主要工作任务为：按信号模拟器指令产生不同模式的信号类型，分时发射不同波段的干扰信号；并对电子侦察系统的干扰信号分时、按波段进行侦收，对其干扰幅度进行检测。收发系统由I型收发分机和II型收发分机组成。其波段范围覆盖UHF~Ku等六个波段。I、II型收发分机在无人直升机平台上可直接更换。其主要功能是为合成孔径雷达干扰系统提供多模式宽带线性调频和相位编码的发射激励信号，并对侦收到宽带信号进行幅度检波。
    2.系统组成与工作原理
    收发系统实现框图如图1所示。收发系统I型和II型分机外部形状体积一致，可相互更换。
  
                              图1  收发系统实现框图
    激励信号产生工作原理是：由DDS产生线性调频信号或码元宽度为固定值的BPSK和QPSK，对其进行带通滤波后，与二本振信号混频，经单刀三掷开关选择进入六波段变频器，再与各波段一本振信号混频，产生各波段的线性调频或相位编码信号，最后将此信号经过六波段调制功率放大器得到各波段对外辐射的脉冲信号。
    大动态接收工作原理：侦收到的雷达干扰信号经低噪声放大和各波段本振下变频后进行对数幅度解调。其主要特点是对数检波，只定性地检测干扰信号的脉冲幅度、宽度和重复频率，通过开关切换在一次变频后滤波检波，降低接收通道和频率合成器设计压力。
    频率合成器工作原理：以一个100MHz高稳定温补晶体振荡器为基准参考源，采用数字锁相和直接倍频等技术实现系统各相关时钟和本振信号。
    3.主要关键技术
    无人直升机载雷达信号模拟器收发系统采用并突破了多项关键技术，主要有：
    （1）多频段融合
    收发系统通过共用波形产生和收发通道，并通过调制开关分时控制实现收发切换达到了六波段融合。其方法为：一方面，基于DDS技术结合频段搬移产生宽带LFM信号，再通过频带二次搬移产生UHF~Ku波段的宽带激励波形；另一方面，采用多波段接收前端把回波信号从射频波段变换至基带进行增益控制和对数幅度解调。通过分时发射分时接收降低串扰。利用锁相频率合成技术实现频综器多波段本振信号共模块设计也达到了多波段融合设计。
    （2）强电磁兼容
    电磁兼容和抗干扰设计是多频段收发系统正常工作的重点问题之一，为适应该平台载荷低的特点，收发系统在很小的空间内采用模块空气密封和分机盖板屏蔽的两级屏蔽设计尽可能的降低各波段信号之间的干扰。电路设计上选择合适的频段，以避免各频段的高次谐波和相互交调干扰收发系统。同时，通过系统指标要求合理的选择系统本振频率有效的避开了直升机与地面测控车L波段通信链路载频信号之间的谐杂波、交调互扰。
    （3）大动态接收
    收发系统采用大动态 AGC与大动态视频DLVA结合实现系统的大动态接收。
    （4）微型化集成
    收发系统采用了锁相频率合成器、多路开关、多波段变频器、多波段脉冲调制功放、多波段接收前端等部件级微型集成化设计，实现了系统的微型化集成，同时降低了分机的重量减小了分机的体积，从而达到了该平台的适应性设计，满足信号模拟器技战术指标。
    （5） 高稳定抗振频率合成
    收发系统通过选用高稳定温补晶体振荡器并采用了锁相频率合成设计技术实现工作频率和系统时钟稳定可靠，同时实现了频综器低功耗高可靠性。
    4.硬件实现
    4.1基于DDS的LFM、BPSK和QPSK信号产生
    DDS的原理框图如图2所示，它包含相位累加器、波形存储器、数模转换器、低通滤波器和参考时钟五部分。在参考时钟的控制下，相位累加器对频率控制字K进行线性累加，得到的相位码 对波形存储器寻址，使之输出相应的幅度码，经过数模转换器得到相对应的阶梯波，最后经低通滤波器得到连续变化的所需频率的波形。

                                                                     图2  DDS原理框图
    基于常规DDS波形产生模块，我们已有成熟的模块可供使用，其主要特点是模式多，数字信号产生性能灵活，成本低。方案设计上以牺牲一定信号幅相失真为代价，直接在较高频率产生一定带宽的信号而不进行频带扩展，结合辅佐上变频模块最终产生中频信号。本收发系统波形模式有线性调频和相位编码两种方式。该基于DDS波形产生具有技术成熟、成本低、集成度高、体积小、重量轻、功耗低、工作稳定可靠的优点。当信号带宽较宽时，相位截短误差和幅度量化误差序列趋于随机化，表现为在信号中引入宽带白噪声基底。通过滤波可以滤除部分频率分量，但信号带宽内的噪声无法滤除。不过，在接收时匹配滤波器对其有所抑制，所以具体实现时可以降低对噪声基底的要求。
    对基于DDS多模式波形产生电性能测试，测试结果如图3所示。

                   图3（a）线性调频信号频谱图                图3（b）BPSK频谱图

                 图3（c）QPSK频谱图                                        图3（d）QPSK星座图
    4.2实现多频段融合与强电磁兼容的微型脉冲功放
    收发系统发射脉冲峰值功率均超过常规接收机射频功率。实际设计时考虑到收发开关的损耗和宽温工作环境，功放功率均较需适当加大。由于系统为脉冲工作方式，且考虑到系统功耗要求，各波段的功率放大器均采用脉冲方式。对于脉冲功率放大器，电源管理电路和散热装置直接影响其体积和重量，对于多波段分时工作特性，其电源管理电路和散热装置可采用共用设计，将有效降低其重量和体积。
    4.3 高稳定抗振频率合成
    对于无人直升机平台，多波段频率合成器的要求是时钟高稳定、频带大跨度、多频点工作、小体积、轻重量、低功耗、低成本和高可靠性。其中高频率稳定度是机载平台全机时钟的关键指标。晶体振荡器特有的压－频效应使其成为合成器中对振动最敏感的部 件。在随机振动条件下，晶振相位噪声几乎与其静态相位噪声无关，如式（1）：

    本收发系统采用整体隔振设计，并结合多种辅助抗振措施。在电路设计上采用温补晶体振荡器、常规整数数字锁相及直接倍频相结合。实验验证经多重隔振后，其机载环境下的相位噪声与静态相位噪声相当，如图4所示，其短期稳定度达10-10/s。
 
                图4 平台载荷下Ku本振1KHz处相位噪声
    4.4 多波段大动态接收
    收发系统多波段接收通道只对侦收到的干扰信号幅度信息进行检测，系统要求收发系统具有大动态范围，采用对数检波接收通道是合理的。由于收发系统频段跨度大，方案将采用一次变频超外差，使不同波段信号均变换至统一频段，简化系统电路的复杂度和成本。
    4.4.1接收机寄生通道及带内干扰分析
    该雷达信号模拟器只要求检测电子侦察系统干扰信号的幅度值，因此收发系统拟采用对数接收。各个波段回波信号均变频至统一中频，由三选一开关分时选择不同波段在中频进行对数检波。 设计中的两个问题：（1）寄生通道及电磁兼容；（2）增益接口。
    对于多波段系统的电磁兼容，方案需注意主要问题：（1）合成器任何频点及其谐波分量均不在任何波段接收通道及其镜像通道内；（2）禁止在合成器方案中采用谐波发生器，避免谐波及其与其它频点的交调落在任何波段接收通道内；（3）设计合理的变频窗口。对于本收发系统，各频段接收机镜像通道是其主要寄生通道，因此各通道均采用镜像抑制滤波器抑制寄生干扰。
    4.4.2通道增益和噪声系数
    根据工作频率和接收动态范围，方案选用ADI公司的对数检波集成电路AD8313（适用频率范围：100MHz～2.5GHz），其动态范围约为70dB，输出电压约为500mV～1.7V，对数斜率约为20mV/dB，其中正切灵敏度约为-65dBm。
    接收通道实现框图如图5所示。

                                                    图5 收发系统接收通道实现框图
    4.5 收发开关
    收发系统微型多波段脉冲功放模块发射功率大，特别是高频段，如Ku波段和X波段，该模拟器对收发隔离度要求不高而对损耗要求严格，因此高频段环形器相对损耗较小，是理想的选择。低频段环形器尺寸较大，而此频段开关的损耗较小，因此低频段中功率微波开关是合适的。兼顾到I、II型功率放大组件的结构一致性，Ku、X、C、S波段收发隔离采用环形器，而UHF和L波段将采用微波开关。
    5．收发系统结构设计
    收发系统为一个单元形式，分上下两层安装，一层为信号产生、发射和收发开关，另一层为接收通道和频率合成器。射频接口、电源、控制接口采用盲配形式。
    6．收发系统的测试结果
    经过工程研制，收发系统接收灵敏度、动态范围和最低辐射功率均满足设计指标，达到了使用要求。
    7．结束语 
    某无人直升机载雷达信号模拟器收发系统在多项工程实现上采用了自我研制与合作相结合，充分发挥国内相关单位技术优势，实现技术互补。特别对关键技术进行了多方案实验和研究，主要包括多模式波形产生；大动态对数检波幅度解调，多波段脉冲功放超微型化频率融合。实际证明这种工程化方式是合理的，很好解决了研制周期和产品质量，满足了平台应用环境和各项技术指标，并为未来其他应用平台雷达信号模拟系统的研制提供了一种工程实现的方案。
参考文献：
［1］费元春等．宽带雷达信号产生技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，2002．
［2］弋稳．雷达接收机技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社，2005．
［3］王新全，刘晓凯．防空导弹制导雷达收发设备［Ｍ］．北京：中国宇航出版社，1999．
［4］方立军，马骏，金晶，殷立伟．一种机载多波段SAR接收/激励器［Ｊ］．雷达科学与技术，2003：52-55．