全固态数字化脉冲相参应答机的设计

范义平

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

1 引 言

脉冲应答机安装于运载火箭或导弹、卫星等飞行器上,配合地面脉冲雷达对飞行器进行精密跟踪和轨道测量,要求具有较高的测量精度和实时性。随着雷达技术的发展,目前脉冲应答机的频谱纯度[1]和相参性技术已有了很大提高,在此基础上,采用全数字时延转发、时延补偿技术,可将测距精度和测速精度提高一个量级以上,可满足测量精度和实时性要求。

作为地面脉冲雷达的合作目标,随着雷达跟踪距离的不同,接收来自地面脉冲雷达的强弱不同电平的询问信号,经延时、功率放大后进行相参转发,既增加了雷达的作用距离,又提高了地面脉冲雷达接收信号的信噪比和脉冲雷达的测量精度,不仅可以用于靶场主动段测量,也适用于落区测量[2]。

本文提出了全固态数字化脉冲相参应答机的设计思路:采用中频数字化架构设计;单片中频对数放大器在脉冲体制下大动态、高增益性能的应用;利用数字平台进行电平大动态变化的时延补偿;利用大功率场效应双管功率合成技术实现稳定的百瓦级脉冲功率输出;解决多径效应引起的多脉冲损坏应答机的难题。

2 全固态数字化脉冲相参应答机的设计

2.1 设计思路

总的概括为“方案沿用,方法革新”。方案设计沿用传统脉冲相参应答机频率流程关系,避免出现新的电磁兼容问题。实现方法上用数字信号处理取代模拟电路;取消磁控管,同时也取消磁控管高压调制电路,避免气密和体积问题;采用固态功放作为末级输出;增加输入信号判别,防止多径效应损伤应答机。

2.2 总体方案

脉冲应答机属于典型的收发同频工作模式,频率设计主要考虑本振连续波信号不能对接收信道造成干扰、中频频率适合信号处理等,在本机设计中我们继续沿用经过工程验证成熟的应答机频率关系,可以避免系统电磁兼容性等诸多问题。

全固态数字化脉冲相参应答机原理框图如图1所示。

图1 全固态数字化脉冲相参应答机原理框图Fig.1 The functional diagram of solid state digital pulse coherent transponder

全固态数字化脉冲相参应答机通过天线接收脉冲雷达上行信号,由馈线送至接收通道,经中、视频处理电路和终端信号处理电路后送发射通道,与本振信号混频得到与接收信号同频的转发信号,该信号经大功率固态微波FET脉冲功放进行放大,输出百瓦级的射频脉冲功率,由天线辐射到空间。

2.3 应答机转发相参性设计

脉冲应答机收发同频、分时复用,接收信号经过一定时间延迟后发射,由于上下混频采用公用本振,从体制上可以保证收发信号的相参性,这是经过几代产品大量使用反复验证的。

全固态数字化脉冲相参应答机的基本频率流程不变,仍保持上下混频公用本振;在数字化中频信号处理部分,对转发的相参性进行专题验证。

存储转发数字信号处理原理框图如图2所示,由A/D变换器、存储转发及控制电路产生器、D/A变换器以及采样时钟组成。

图2 数字存储转发原理框图Fig.2 The functional diagram of digital store and forward technique

设输入信号为正弦信号为

其中,ωi为信号处理器输入载波信号角频率,θo为初始相位。

A/D变换器输出的数字波形表达式为

其中,采样值间的相位增量为 ωiΔtsi=ωifsi,fsi为A/D变换器采样频率。

经过延时时间τ后,输出的数字波形表达式为

其中,ωiτ为固定相移值,k=1,2,3,…。当D/A变换器以时钟fso对存储数字波形进行重构,重构信号角频率为

当A/D和D/A的时钟频率 fso=fsi时,则 ωd=ωi。D/A变换器输出的重构波形表达式为

由此可知:当A/D和D/A的时钟频率相同时,信号处理器输出中频信号频率与中频输入信号频率相同,相位相差一个固定值 ωiτ,应答机能够完成相参转发[3]。

2.4 应答机关键技术设计

(1)应答机内单片中频对数放大器在脉冲体制下大动态、高增益性能的使用

该问题的难点在于:在小面积印制板上要实现大于60 dB增益的信号放大,关键是排版和布局。通过屡次学习先进的排版和布局方法、建立信号线屏蔽墙、结构信号隔离、多次试验尝试等措施,最终获得了较高的信号质量。

(2)利用数字平台进行电平大动态变化的时延补偿问题

利用输入信号电平与检波脉冲幅度之间的线性关系,建立整机转发脉冲延时表。

方法概述为:将检波脉冲进行A/D采样,在FPGA内部设计一个查找表,根据A/D采样的数字幅度,查询延时的变化量;查找表的深度根据转发精度的要求设定。A/D采样速率只需要大于10/脉宽即可,有效位数根据脉冲幅度的变化情况选择,脉冲幅度的变化情况可以根据实验情况得出。具体的实现框图如图3所示。

图3 时延补偿的实现框图Fig.3 The implementation block diagram of time delay compensation

通过以上分析以及实践证明,信号处理补偿技术设计灵活,控制时延精度高(相对延时精度小于等于5%),稳定性好(延变化小于20 ns),可生产性好。

(3)采用大功率场效应双管功率合成技术实现了稳定的百瓦级脉冲功率输出

采用大功率场效应双管功率合成技术实现了稳定的百瓦级脉冲功率输出;采取中频和射频同步封闭控制和收发电路异构布局措施获得的高收发隔离度。脉冲功放模块的大功率输出采用由前至后逐级推动方法,末级是由2个60 W(P-1 dB)的功率放大管进行功率合成,由于脉冲体制,放大器可工作在饱和状态,单管满功率输出可比P-1dB大 1～2 dB,即达75～95 W,合成效率可达90%以上,而脉冲功放工作于饱和状态,双工器插损小于0.6 dB,因此,应答机输出功率可以达到120 W,实现了百瓦级脉冲功率输出。

(4)多脉冲屏蔽技术

利用数字平台,在程序中增加输入脉冲个数和脉冲特性判决门,有效剔除干扰信号和多脉冲信号,使应答机不会工作在超高重复频率下,有效保护了应答机不会因多脉冲而被损伤。

3 全固态数字化脉冲相参应答机的工程实现情况

3.1 关键指标测试情况

单机指标测试情况见表1,测距均值误差小于等于0.5 m。

表1 关键指标测试情况Table 1 Experiment data of critical index of the transponder

3.2 工程实现及使用情况

整机外形和脉冲转发频谱图分别如图4和图5所示。

图4 整机外形图Fig.4 The outline of transponder

图5 脉冲转发频谱图Fig.5 The spectrum of reflecting pulse signal

全固态数字化脉冲相参应答机目前参加的试验有环境筛选试验、验收试验、典试试验(运输、冲击、典型振动、加速度、噪声、低气压、湿热、贮存、正弦扫描)、电磁兼容、可靠性增长等,圆满完成4次正式飞行试验任务。所有试验和任务期间技术指标均合格,未出现任何设计和质量问题。

3.3 国内外水平比对及后续想法

全固态数字化脉冲相参应答机作为国内第一批数字化外测应答机,首次在脉冲体制下采用数字平台进行设计;整机最大延迟误差仅为几纳秒,对接测量的均值误差小于0.5 m;在外测领域填补了国内空白,对我国国防科学技术的发展具有重要意义。该应答机具有体积小、重量轻、可靠性高、生产性良好等特点,经过指标测试和飞行器实飞使用,技术指标满足优良,其整体技术水平居国内领先。

美、俄、欧空局为代表的国外航天测控系统,星/箭/弹载外测设备均向着高集成度数字化的方向发展,其星/箭/弹载外测应答机测量精度相当高。

随着技术的进步和实际的需求,脉冲相参应答机将配合地面雷达站进行测速精度的研究和提高,缩短与国际水平差距。

4 结束语

全固态数字化脉冲相参应答机采用以可编程逻辑器件(FPGA)为核心,中频电路实现了数字化、软件化,其优点是体积小、重量轻、精度及可靠性高、生产性良好等,其整体技术水平居国内领先。该产品已成功应用于靶场外测系统中,其设计原理和方法已在其他同类产品中被采用。

[1] 徐敏.单脉冲测量雷达测速技术研究[J].现代雷达,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] 刘嘉兴.飞行器测控通信工程[M].北京:国防工业出版社,2010.LIU Jia-xing.Spacecraft TT&C and Communication Engineering[M].Beijing:National Defense Industry Press,2010.(in Chinese)

[3] 陈霞.数字脉冲应答机的时延补偿方法[J].电讯技术,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)