一种基于比幅比相的单脉冲雷达接收机

支　敏，张　晖

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035）



一种基于比幅比相的单脉冲雷达接收机

支敏，张晖

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035）

摘要：根据和差单脉冲雷达接收机原理，设计了一款基于和差波束比幅比相的S波段跟踪接收机。该接收机主要由和波束接收支路、方位差波束接收支路和俯仰差波束接收支路组成，每个接收支路分别完成对信号的放大、滤波、混频和自动电平调整。两路差波束信号再以和波束信号作为比较基准，通过相位和幅度的比较得出角度信息。详细分析了如何实现支路之间的相位比较和幅度比较，并利用比幅信息和比相信息实现对目标的自动跟踪。经过验证系统的各项指标符合设计要求。

关键词：单脉冲；自动增益控制；鉴幅；鉴相

1　概述

单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达。它每发射一个脉冲，天线能同时形成若干个波束，将各波束回波信号的振幅和相位进行比较，当目标位于天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位相等，信号差为零；当目标不在天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位不等，产生信号差，驱动天线转向目标直至天线轴线对准目标，这样便可测出目标的高低角和方位角，从而实现对目标的跟踪。

2　系统架构

2.1天线馈电单元

单脉冲雷达接收机通常由4个天线馈电单元与3个接收支路组成。图1所示是经典的4天线和差波束组成图。

在接收目标雷达的回波信号时，4个天线馈电单元经过射频和差桥结网络形成5个接收波束。其中1个为和波束，由4个天线馈电单元的接收信号全部相加而成，其中心轴即天线的瞄准轴。和波束的接收信号经和支路接收机放大、滤波以后，用以提供测角的比较基准。

图1　四喇叭和差电路示意图

处于同一水平面上的两个波束为方位测角波束，其形状相同，与瞄准轴左右对称排列，以一定角度重叠。另两个为仰角测角波束，处于同一个垂直平面上（与方位波束垂直），也是形状相同，与瞄准轴上下对称排列，以一定角度重叠。两个方位波束接收的信号，经和差桥结网络，进行幅度相减，取得方位角差信号。当天线瞄准轴对准目标时，两个方位波束接收的信号幅度相同，其差信号为零。当目标在方位上偏离天线瞄准轴时，两个方位波束接收的信号幅度不同，就有幅度差信号输出，称为方位差信号。这个差信号经方位差支路接收机放大、滤波以后与和波束进行幅度和相位比较，产生方位误差信号，误差信号大小与目标偏离旋转轴的角度成比例，极性决定于偏离的方向。误差信号送到天线控制系统，驱动天线向减小方位误差信号的方向转动，直到瞄准轴对准目标，方位误差信号为零时天线停止转动，从而使天线在方位上精确地跟踪目标。2个仰角波束和仰角差接收支路的工作情况与方位差支路类似。图2为和差波束的幅度波束示意图。

图2　天线和差波束幅度示意图

如图2所示，中间的横轴零点就是对应天线瞄准轴，在此位置时，和波束幅度最强，差波束幅度最小，和差波束幅度差达到最大值；当目标向瞄准轴两侧偏时，和差波束的幅度差值越来越小，直至偏出作用范围。至于目标偏在瞄准轴的左侧还是右侧，则由和差波束的相位比较值得出。

2.2接收支路

3个接收支路主要完成信号的放大、滤波，并将信号进行下变频到中频频段，以便进行鉴幅鉴相处理。

其中的和波束接收支路在整个处理中作为鉴幅鉴相的比较基准，在前端进行一系列的放大、滤波、混频后，在中频频段进行自动增益控制，使其输出信号的功率控制在一个固定电平上，并输出一个电平控制电压给另外两个差波束支路，以便调节差波束支路的增益。

差波束的前端电路与和波束相同，在完成放大、滤波和混频后，进入压控增益放大电路，增益控制电压来自和波束支路的增益控制电路。

3个接收支路主要的设计要点是：3个支路的第一级必须采用高增益的低噪声放大器，确保链路的低噪声系数以获得较高的接收灵敏度。和波束支路应有尽可能高的增益，差波束支路应有尽可能高的斜率和增益，3个支路要保持一定的相位一致性和幅度一致性，并适当考虑旁瓣电平、零值深度、零点漂移、阻抗、带宽和极化特性诸因素。图3是典型的单脉冲和差波束接收支路原理框图。

3　设计过程

我们针对S波段单脉冲雷达的信号特征，设计了一款S波段单脉冲雷达接收机。主要还是由和波束接收支路和两个差波束接收支路组成。

3.1和波束接收支路

和波束接收支路原理图见图4。

为了防止空间中有瞬时大信号出现，每个支路的第一级都加入了限幅器，这样可以保证输入给放大器的信号在一定的功率范围内，不至于因信号功率过大而烧毁器件。我们选用的限幅器型号是MINI公司的RLM-63-2W+，它可以在输入信号最大为32 dBm的情况下，保证输出信号的功率小于12 dBm。另外，它的插损只有0.3 dB，不会对整个链路的噪声系数产生过大的影响。

限幅器的后面是两级级联低噪声放大器，选用Hittite公司生产的HMC462LP5，两级级联后可以提供26 dB以上的增益，而噪声系数只有2.5 dB。

图3　单脉冲和差波束接收支路原理框图

图4　和波束接收支路

在两级级联放大器后是从合肥博仑公司定制的射频带通滤波器，主要目的是把带外信号滤除掉，防止有别的无用信号进入后级的混频器，从而产生非线性响应。

放大滤波后的射频信号进入混频器，选用合适的本振信号将射频信号转换到500 MHz以内的中频信号。我们选用Hittite公司的混频器HMC213。再结合定制的中频带通滤波器，就可以得到想要的中频信号了。

混频滤波后的中频信号最后进入自动增益控制电路AD8367，在45 dB的功率范围内，都将输出0 dBm左右的稳定功率，从而可以给最终的鉴相鉴幅电路提供稳定的比较基准。

我们设计的接收灵敏度可以达到-90 dBm，动态范围可以达到50 dB以上。图5和图6分别是链路工作在最小增益和最大增益时的参数。

图5　最小增益时的参数设计

图6　最大增益时的参数设计

从图5可以看出，当链路输入信号较强时，进入自动增益控制电路的中频信号就比较大，这时ACG电路就会调节自身的增益到最小值，以使输出信号控制在0 dBm。

从图6可以看出，当链路输入信号较弱时，进入自动增益控制电路的中频信号就比较小，这时ACG电路就会调节自身的增益到最大值，以使输出信号控制在0 dBm。

3.2差波束接收支路

差波束接收支路原理图见图7。

图7　差波束接收支路原理图

差波束接收支路的电路构成与和波束接收支路基本一致，唯一不同在于最后一级电路的用法。在和波束接收支路中，最后一级电路AD8367被设置成自动增益控制，它根据自身接收到的信号强度自动调节增益，并输出一个增益控制电压。在差波束接收支路中，最后一级也是选用AD8367，但它被设置成压控增益电路，自身增益通过和波束接收支路输出的增益控制电压来控制，从而达到和差波束接收支路的增益平衡。

4　关键技术

4.1自动增益电路

在通信、导航、遥测遥控等无线系统中，由于受发射功率大小、收发距离远近、无线电波传播衰落等各种因素的影响，接收机所接收的信号强弱变化范围很大，信号强度的变化可能相差几十分贝，如果电路增益不变，则信号太强时会造成接收机的饱和或阻塞，甚至使接收机损坏，而信号太弱时又可能被丢失。因此，在接收微弱信号时，希望接收机有很高的增益，而在接收强信号时，接收机的增益应该减小一些。这种要求靠人工增益控制来实现是困难的，必须采用自动增益控制电路，使接收机的增益随输入信号强弱而自动变化。

我们在单脉冲雷达接收机中使用的是ANALOG公司的可变增益放大器AD8367，通过控制芯片的模式选择管脚，可以实现和波束接收支路需要的自动增益控制功能和两路差波束接收支路需要的压控增益放大器功能。图8是AD8367的功能框图。

图8　AD8367功能框图

AD8367是一款高性能45 dB可变增益放大器。在芯片的输入级集成了一个9阶电阻网络，每阶可提供5 dB的衰减。当芯片工作在最大增益时，9阶电阻网络被短接跳过；当工作在最小增益时，9阶电阻衰减网络被全选。在电阻网络之后是一个有42.5 dB固定增益的中频放大器，它和电阻网络组合在一起可以提供-2.5～+42.5 dB的增益控制范围。在放大器输出端并接着一个平方律检波器，可以将放大器输出电压的功率值转换为电压值，并直接去控制gian脚，从而实现一个完整的AGC闭环。

增益控制输入端GAIN（5引脚）接收来自AGC检波器或者数模转换器的控制电压，增益控制电压范围为50～950 mV。当芯片配置在自动增益模式时（对应gain down模式），电压越小，增益越大；当芯片配置在压控增益模式时（对应gain up模式），电压越大，增益越大。增益控制的斜率为20 mV/dB。

在和波束接收支路中，信号经放大、滤波、混频后变为中频信号，进入AD8367。在此支路上，AD8367被设为自动增益模式，不同功率大小的输入信号经AD8367后输出一个功率稳定的中频信号，在此设为-11 dBm。同时，在芯片的gain脚，产生一个与实际增益对应的控制电压，去控制两路差波束接收支路的压控增益放大器AD8367。

在差波束接收支路中，信号一开始的处理与和波束一样，放大、滤波、混频后变为中频信号，进入AD8367。在差波束接收支路上，AD8367被设为压控增益放大模式，增益控制电压来自和波束接收支路的AGC芯片输出电压，这样可以确保3路接收支路的AD8367芯片的增益保持一致，从而使3个接收支路的总增益保持一致。

4.2鉴幅鉴相电路

单脉冲雷达接收机的最后一级是鉴幅鉴相电路，主要功能是将两路差波束分别与和波束进行比幅比相，得出的幅度差值和相位差值就代表接收目标对应偏离瞄准轴的位置，进而可以引导伺服系统转动天线瞄准轴，实现对目标信号的持续跟踪。

本方案采用的鉴幅鉴相电路是ANALOG公司的AD8302。该芯片是一款集成幅度比较和相位比较的测量芯片，只需一个单独的外部供电，就可实现30mV/dB的幅度测量精度和10 mV/°的相位测量精度。AD8302功能框图见图9。

图9　AD8302功能框图

在单脉冲雷达接收机中，将用到两个AD8302进行鉴幅鉴相。每个AD8302的INPA脚输入的都是和波束接收支路经功分器过来的信号，两个差波束接收支路过来的信号分别接入两个AD8302的INPB脚。根据和差网络方向图可以得出，当目标信号对准瞄准轴时，两路信号差值最大，也即AD8302的鉴幅输出电平最大。典型的鉴幅特性曲线见图10。

AD8302最大可以鉴别幅度差达30 dB的信号，鉴于和差波束天线网络的零值深度一般为25 dB左右，所以该芯片能覆盖所有方向点上的和差信号的幅度鉴别。当目标信号偏离瞄准轴时，和差波束信号之间的幅度差变小，鉴幅输出幅度也相应变小。

通过和差波束鉴幅的输出电平可以判断目标信号是否偏离瞄准轴，但却无法具体区分目标偏离在方向轴的左边还是右边。这就需要通过和差波束鉴相输出电平来判别。由于差波束在方向轴两侧只有180°的相位突变，也即和差波束鉴相输出电平只有两个值，最小值30 mV和最大值1800 mV。典型的鉴相特性曲线见图11。

图10　AD8302鉴幅特性曲线

图11　AD8302鉴相曲线图

在鉴相输出后接一比较器，将门限设在900 mV，这样最终输出就只有高低电平两种状态了，低电平代表目标偏在瞄准轴的左边，高电平代表目标偏在瞄准轴的右边。

将和波束与方向差波束、俯仰差波束分别比较得出的两个鉴幅电平和两个鉴相电平同时送给伺服系统，伺服系统根据鉴幅的电平大小和鉴相的电平属性调节伺服系统向目标中心点转动。伺服每转动一次，重新采样接收机送过来的鉴幅鉴相数据，根据最新数据，再做相应的调节动作，如此循环往复，就可以实现对目标的跟踪。

5　性能测试结果

图12～图15分别是在信号功率下限和上限时的测试结果。

图12　水平方向鉴幅曲线图（动态下限时）

图13　俯仰方向鉴幅曲线图（动态下限时）

当输入信号比较小，在接收机工作下限时，测出来的方向曲线不是很平滑，雷达伺服系统跟踪目标时会有小的抖动，这是因为信号较小时，进入鉴幅鉴相电路的信号的信噪比比较差，导致输出电压叠加了不小的噪声，从而使跟踪曲线不是很平滑。

图14　水平方向鉴幅曲线图（动态上限时）

图15　俯仰方向鉴幅曲线图（动态上限时）

而当输入信号接近动态上限时，信号比较大，从而使整个链路的增益比较小，信噪比较高，进入鉴幅鉴相电路的噪声比较小。输出电压非常平稳。跟踪方向曲线非常平滑，接近理想曲线。雷达伺服系统能非常稳定地跟踪上目标。

对整个接收机测试结果表明，该款S波段单脉冲雷达接收机的工作灵敏度可以达到-88 dBm，动态范围50 dB，满足设计要求。

6　结束语

该单脉冲雷达接收机已应用于某无源雷达跟踪系统，大量的测试试验表明接收机工作稳定，跟踪性能的稳定性和可靠性均能满足系统要求。

参考文献：

[1]列昂诺夫A,黄虹，译.脉冲雷达[M].北京：国防工业出版社，1974.

[2]毛祺，安红，周先敏.二维相位和差单脉冲雷达的测角性能分析[J].电子信息对抗技术，2007，22：15-18.

支敏（1979—），男，江苏无锡人，本科，2002年毕业于南京航空航天大学电子工程系，现就职于中国电子科技集团公司第58研究所，主要从事射频系统的设计研究。

Mono-Pulse Radar Receiver Based on Gain and Phase Detect

ZHI Min, ZHANG Hui
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035,China）

Abstract：According to the theory of mono-pulse radar receiver, designing a type of band-S receiver based on gain and phase detect. The receiver includes sum-beam link、azimuth angle-beam link and pitching angle-beam link. These receiver links managed the signal amplifying、filtering、mixing and AGC function. Analyzing how to detect gain and phase between three receiver links and how to automatic follow according to the information of amplitude and phase. All the system performance is validated to be according with design requirement.

Keywords:mono-pulse; AGC; gain detect; phase detect

作者简介：

收稿日期：2015-11-24

中图分类号：TN 958.1

文献标识码：A

文章编号：1681-1070（2016）04-0034-06