新型电离层探测仪发射系统设计*

潘凌云，杨国斌，许晨，刘桐辛

(武汉大学电子信息学院，武汉430072)

新型电离层探测仪发射系统设计*

潘凌云，杨国斌*，许晨，刘桐辛

(武汉大学电子信息学院，武汉430072)

为了实现整机系统通带高增益性能、兼容多种探测编码体制，同时采用一副天线进行收发探测，武汉大学研制的新型电离层探测仪的发射系统采用了软件无线电思想和模块化设计，系统由波形产生模块、功放单元模块和收发开关模块构成。实验结果表明，该发射系统在日常探测中实现了多种电离层探测方式，在实时获取丰富的电离层探测结果同时，方便携带且工作性能稳定。

发射系统;软件无线电思想;模块化设计;功放单元;收发开关

电离层探测仪是一种工作在短波频段的雷达系统，依据电离层对短波频段无线电信号反射的原理，它可对电离层进行实时观测并获取电离层信道的散射函数，进而通过反演得到电离层高度及其电子浓度的变化特征［1-3］。电离层是通讯信道和高频无线电电波传播重要组成部分，作为主要的地基电离层观测设备，电离层探测仪可以对电离层状态参量进行实时的监测，因此，它对空间物理学的研究和国防建设具有重要意义［4］。但是，目前的电离层探测仪往往采用单一的探测体制和探测波形，不能兼顾多种探测模式和被测目标的特性，导致系统的可升级性和可扩展性不强［5］。同时，现有的电离层探测仪基本上都是采用两副或者多副天线进行探测，发射天线和接收天线分开放置，这不仅使得探测场地要求较高、天线架设难度和成本增加，也会因为天线之间的能量耦合对探测效果产生一定影响［6-7］。

为了解决上述问题，武汉大学研制了一种新型的电离层探测仪发射系统。该系统的波形产生模块依托直接数字频率合成器进行全软件化参数配置，针对不同的探测需求，可灵活地配置不同的探测波形和探测参数;功放单元模块采用固态发射机技术，在整个短波工作带宽内可实现通带增益平坦、低谐波输出;同时，大功率短波天线开关的实现使得原来的收发天线分置可改进为收发共用一副天线，简化了探测系统的硬件结构，降低了系统的架设难度和对场地的要求。新型电离层探测仪的设计不但精简了探测设备、降低了成本、丰富了探测方式和改善了探测效果，也为构建天线阵列收发一体化带来了应用前景。

1 新型电离层探测仪发射系统设计

新型电离层探测仪发射系统主要由波形产生模块、功放单元模块和收发开关模块组成，其系统结构如图1所示。系统探测时，计算机设置收发开关为发射状态，通过控制传输方式使USB接口芯片向现场可编程门阵列(FPGA)写入波形发生模块的频率控制字、相位控制字等信息，使得直接数字频率合成器产生探测波形，信号再通过功放单元模块由HF偶极子天线向外完成发射;系统接收时，收发开关设置为接收状态，信号由天线进入接收系统，采集的数据被批量传输至计算机进行处理与分析。同时，为了对大范围的电离层动态变化情况进行实时监控，多台探测仪使用GPS信号实现同步收发。

图1 新型电离层探测仪系统框图

1.1 波形产生模块设计

电离层探测时，假定发射信号为s(t)、经过解调后的回波信号为g(t)，表达式分别为:

式中，a(t)为调制的窄带信号，f1为载频，τ为相对时延，ρ为探测路径，h(t，τ)为电离层信道的脉冲响应函数。

当a(t)的自相关函数具有类似Dirac形状的特点时，将发射信号s(t)延时td后与回波信号g(t)作

时间长度为T1的互相关运算，并且信道在T1时间内处于稳态，那么互相关函数在时刻t1有:

因而，当探测码制具有较好的自相关特性时，通过多次探测可获得电离层信道的脉冲响应函数，进而可获取电离层的一系列特性。目前的电离层探测仪仅采用单一的调制序列和调制方式进行探测，无法兼顾多种探测模式和被测目标的特性，造成系统的可升级性差和扩展性不强［5］。因而，新型电离层探测仪发射系统设计了波形产生模块，对于不同的探测应用，通过配置对应的软件化参数选择不同的探测方式和探测体制。探测波形产生模块由直接数字频率合成芯片AD9958实现。AD9958是ADI公司的高性能集成直接数字频率合成器件，最高工作时钟可达500 MHz，内部集成两个独立的数字频率合成器(DDS)内核，分别用于实现本振信号和发射信号输出。通过配置内部寄存器，能实现最高16级的ASK、PSK、FSK调制和线性的幅度、相位、频率扫描。

对于垂直探测与移动目标探测，由于回波功率相对较大，要求探测快，而相关特性较好的巴克码和互补码可满足该探测应用的需求［8］。对于斜向探测和斜向返回探测，由于回波信号较弱，因而采取自相关性好且增益高的伪随机码，如m序列［9］。图2是基于AD9958设计的m序列以及巴克码波形图。

图2 基于AD9958设计波形示意图

图2中，CLK为系统时钟，代表基带速率;A(t)为相位脉冲调制编码，长度为n;B(t)为经AD9958相位调制的输出波形;C(t)为幅度控制信号，代表输出幅度有无;T3为探测周期。对于7阶m序列，调制序列长度n为127，发射脉冲宽度Tp为25.6 μs，距离分辨率为3.84 km，占空比(T2/T1)为20%，第一无盲区无模糊探测距离为19.2 km。探测中，码元以等间隔方式交替发射和接收，系统可接收远近距离的探测回波。对于7 bit的巴克码，脉宽Tp为

25.6 μs，距离分辨率也为3.84 km;发射脉冲宽度为

加快建立适应社会主义市场经济体制和可持续发展要求的区域水资源统一管理体制，进一步完善城乡水务一体化管理，为推进城市水务市场化提供体制保障。要通过健全制度、完善政策法规和城市水务市场规则的手段，为外资、民营资本进入水务市场营造良好的市场环境，保证各类资本在水务市场中的公平竞争、依法经营。

179.2 μs，发射占空比(T4/T3)为5%，盲区距离为

26.88 km;最大探测距离为1075.2 km。m序列和巴克码在实际探测应用时，其占空比、探测次数、码序列长度等参数均可通过软件灵活设定。

1.2 功放单元模块设计

功放单元模块是电离层探测系统中的核心模块之一。功放单元的主要功能是将信号激励元产生的射频信号进行放大，然后馈送到发射天线端。从发射天线端辐射出去的电磁波信号经过自由空间传输损耗和电离层传播损耗，返回到接收天线端的信号能量将大幅衰减，因此，只有保证功放单元的增益性能，回波信号才能在接收机的灵敏度门限以上［10-11］。同时，为减小功放单元模块对探测效果的影响，需保证整个短波工作带宽内的谐波失真低、增益平坦。

探测仪功放单元模块的具体指标有:工作频段为2 MHz～30 MHz;输入功率为0 dBm;输出功率为53 dBm;增益平坦度低于±0.5 dB;谐波输出为低于-20 dBc。

针对于目前的宽带固态放大器特性，单片的功率放大器芯片增益往往仅为十几分贝，鉴于此，结合市面上成熟的短波功率放大器件，需要使用三级功放电路级联实现53 dB的增益需求。第1级使用MW6S004作为小信号放大器，其最大输出功率为36 dBm，在探测频段内设计增益为17 dB，当输入信号为0 dBm，该级输出功率为17 dBm推动级选用MRFE6VS25L，其最大输出功率可达44 dBm，设计增益为19 dB，输出功率为36 dBm。末级使用MRF6VP11KH，采用推挽结构，其最大输出功率可达60 dBm，由于探测仪发射系统功放单元模块输出功率在53 dBm以上，因而设计增益为17 dB。使用Advanced Design System(ADS)对上述三级放大电路进行S参量仿真和谐波平衡分析，采用宽带匹配技术、负反馈技术和负载牵引技术，使功率放大器能尽量稳定地工作于AB类状态，在满足功率要求的同时尽量保证一定的线性度［12］。图3是功放单元模块设计与仿真框图。

图3 功放单元模块设计与仿真框图

1.3 收发开关设计

原有的电离层探测仪天线收发分置，不仅使得探测场地要求较高、天线架设难度大，还会因为收发天线之间的互耦而影响探测结果。新型电离层探测仪设计了收发开关，在解决上述问题同时可实现收发共用一副天线。收发开关使用PIN二极管作为核心器件，利用PIN二极管的导通电阻大小随正反偏置电流的变化关系可以实现高速开关功能［13］。电离层探测中，开关需具有切换速度快、隔离度高和插入损耗低的特性。较高的隔离度和较低的插入损耗可以确保在发射大功率信号时，开关器件的消耗功率小，而接收机几乎不受干扰。电离层探测仪要求收发开关在工作频带内(2 MHz～30 MHz)的插入损耗低于1 dB，隔离度大于70 dB，开关速度低于基带速率25.6μs，而承受峰值功率大于53 dBm。

由PIN二极管构成的单极单掷(SPST)电路有4种基本拓扑结构:串联型、并联型、串并联型和串并串型［14］。串并结构相对其他3种拓扑结构具有隔离度高、插入损耗低的优点，因而选择串并联型结构作为SPST电路基本的结构，开关结构如图4所示。图4中，当驱动电路1、3正向偏置且驱动电路2、4反向偏置时，PIN1、PIN3截止，PIN2、PIN4导通，此时收发开关工作于发射模式;当驱动电路1、3反向偏置且驱动电路2、4正向偏置时，此时电路工作于接收模式。为方便仿真与测试，PIN二极管均使用同一型号二极管。

图4 收发开关结构示意图

式中，f为的工作频率;Z0为负载阻抗;L为PIN二极管等效串联电感;CT为二极管的电容;RP为并联电阻;RS为串联电阻。

当工作频率为10 MHz时，并参考二极管的数据手册，由式(7)和式(8)可算得开关的插入损耗为

0.44 dB，隔离度为98 dB，均优于探测仪设计指标，满足设计要求。

二极管在导通与截止的切换过程中存在时延特性，因而开关设计对每路偏置电压采用独立控制信号，通过测出时延，可精确控制每路二极管状态，从而有效避免发射信号对接收系统的干扰，还可保证接收系统完整地接收回波信号。

2 测试结果

新型电离层探测仪发射系统测试包含:功放单元模块的测试、收发开关的测试和电离层探测仪整机测试。

图5为功放单元模块在短波段增益的仿真与测试的结果。ADS仿真结果的增益平坦度为±0.35 dB，实测为±0.45 dB，均低于设计的±0.5 dB;而实际测试的第2次谐波失真以及第3次谐波失真都低于-20 dBc，为了取得更好的谐波失真，可以考虑加入自适应滤波电路。

图5 功放单元模块测试结果

图6与图7为收发开关测试仿真与实测结果。在ADS仿真中，对PIN二极管的导通与截止状态分别使用等效模型代替。对于图6，实际测得的隔离度大于80 dB，插入损耗低于0.5 dB。而实验测试结果与仿真结果的差异主要是由于仿真器件与实际使用的器件存在一定的差异，如电容的等效串联电阻阻值随工作频率的变化有较大的差异，另外存在寄生电感、电容等，因而实际测试插入损耗值低于仿真结果。实际中，可通过采用具有更好特性的电容、电感解决该问题，如ATC100E系列的电容可以克服等效串联电阻随频率变化大的影响等。图7是开关速度的测试结果，开关的上升时间仅为6.3μs，而下降时间为14.6μs，因而开关速度足够高且比已有的一些窄带开关速度更快(约为40μs)［15］。

图6 开关的隔离度以及插入损耗

图7 收发开关的开关速度测试结果

图8为电离层探测仪测试的结果，探测时间为北京时间2015年12月03日11时45分，在云南省普洱市(22.7°N，101.05°E)利用新型电离层探测仪进行垂直探测，使用扫频模式，发射功率为53 dBm，以100 kHz的步进频率从2 MHz扫频至16 MHz。图8中可以清楚地看到E层，F1层和F2层的虚高分别为98 km、205 km和280 km;寻常波的E层、F1层和F2层的临界频率分别为4.0 MHz、4.7 MHz和12MHz;非寻常波的E层、F1层和F2层的临界频率分别为4.2 MHz、5 MHz和12.8 MHz;在420 km以上还可看到二跳回波以及由多径效应引起的回波。

图8 电离层探测仪测试结果

3 结论

本文介绍的新型电离层探测仪发射系统由软件化的信号产生模块、功放单元模块和收发开关模块组成，从实际的探测结果可以看出，该发射系统可获得高质量的电离层探测回波信息，能够满足常规的电离层探测需求。该发射系统创新性地改变了常规电离层探测仪的工作体制和工作方式，依托通带增益性能高的功放单元和大功率短波天线开关，采用一副天线即可实现常规的电离层观测，使得探测设备能够更加精简，便携性得到很大的提高。同时，探测码制和探测参数可以灵活地通过软件进行配置，使得电离层探测仪可以依据不同的探测环境和目标特性进行探测，不但可以用来对软目标电离层进行常规观测，同时可以对硬目标(飞机、舰船等)进行探测，拓展了电离层探测仪的应用。

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潘凌云(1990-)，男，汉族，江西南昌人，武汉大学电子信息学院硕士，主要研究方向为空间探测与信息处理技术，partain_ply@whu.edu.cn;

杨国斌(1983-)，男，汉族，江西高安人，武汉大学电子信息学院副教授，博士，主要研究方向为空间探测技术，gbyang@whu.edu.cn;

许晨(1993-)，男，汉族，湖北荆州人，武汉大学电子信息学院硕士，主要研究方向为空间探测与信息处理技术，2011301200221@whu.edu.cn;

刘桐辛(1993-)，男，汉族，辽宁铁岭人，武汉大学电子信息学院硕士，主要研究方向为仪器科学与技术，2015202120049 @whu.edu.cn。

Design of Transm itting System for a New Type of Ionosonde*

PAN Lingyun，YANGGuobin*，XU Chen，LIU Tongxin

(School of Electronic Information，Wuhan Univ，Wuhan 430079，China)

In order to implement the whole system great gain performance in the high frequency band，achieve a variety of encoding detection system and use the same antenna to transmit and receive signal，a novel transmitting system forWuhan University ionosonde was introduced.According to the techniques of software radio and modular design，the system was designed and achieved.The transmitting system consists ofwaveform producedmodule，power amplifiermodule and transceiver switch module.Experiments proved that the system can offer various types of detecting waveform，obtain abundant result of detecting ionosphere in real-time and make the sounding system more portable and stable in the daily detection.

transmitting system;software radio;modular design;amplifiermodule;transceiver switch

C:6320;7710B

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.026

TN957.3

:A

:1005－9490(2017)01－0136－06

项目来源:国家自然科学基金项目(41304127，41327002)

2016-01-24修改日期:2016-02-25