基于光子合成的快上升沿复杂激励信号产生技术

谈宇奇,翟计全

(南京电子技术研究所; 中国电子科技集团公司 智能感知技术重点实验室; 江苏省探测感知技术重点实验室: 南京 210039)

高功率微波(high power microwave,HPM)系统的主要技术包括电真空、等离子体、脉冲功率及固态功率合成等,可对导弹系统、智能弹药、雷达系统及通信指挥系统等信息化武器装备中的电子设备和系统产生干扰及毁伤等效应,在反无人机等方面有重要的应用[1-4]。固态体制高功率微波系统的基本工作流程如图1所示。由低功率微波源产生波形调制的基础信号,经预放后,分为多路送至功率放大器,经天线辐射在空间合成高功率微波。因此,固态体制下微波源的性能对高功率微波系统有重要的影响。按照频谱宽度可划分为超宽带源和窄带源。超宽带高功率微波依靠极快的上升沿和较宽的频谱范围,能够覆盖多种目标响应频率,通过后门效应对电子系统造成毁伤[5-6]。脉冲边沿的陡峭程度能对高功率微波武器的效能产生重要影响[7]。

图1 固态体制高功率微波系统的基本工作流程Fig.1 Basic framework of solid-state high power microwave systems

国内外对陡峭边沿的脉冲源已有较多的研究,但大多针对高压脉冲源的研制[8]。李玺钦等[9]研制的高压脉冲源,脉冲上升沿小于10 ns,脉冲幅度为10～20 kV。陈彦丽等[10]研制的单次快上升沿高压脉冲信号发生器,脉冲上升沿小于30 ns,高压负脉冲幅度为-1 000～-100 V。上述源均为模拟源,产生的脉冲电压高、功率大,国内外还有许多相似研究,脉冲边沿均达到纳秒量级[11-12]。目前,基于光导开关的高功率微波源产生的脉冲信号边沿也可达到纳秒量级,但光导开关发射过程即信号调制过程,产生不够灵活,开关的寿命较短,限制了其在工程中的应用,且其体制不适用于固态体制高功率微波系统,故本文不再展开说明。针对固态体制高功率微波系统,采用数字脉冲源具有更好的灵活性,可在高功率干扰毁伤的基础上实现更多的功能。

本文针对快上升沿、低功率微波源产生的需求,对影响脉冲上升沿的因素进行了仿真分析,在仿真结果的基础上,提出了一种基于光子合成的脉冲信号产生方法,研制了基于光子合成的信号产生样机,并进行了测试验证,其产生的信号脉冲宽度最小可达5 ns,脉冲上升沿小于1 ns,作为一种任意波形产生源,具有多种调制的能力,相应波形产生已得到验证。

1 纳秒量级上升沿模型

在固态高功率微波体制下,低功率微波源输出基本信号经固态放大链和信号合成,实现了高功率、窄脉冲及快上升沿信号输出,因此低功率微波源的上升沿陡峭程度对最终辐射信号的脉冲上升沿有决定性影响。本文首先建立脉冲信号模型,对链路带宽、频率等因素对脉冲上升沿的影响进行仿真分析,给出了相应微波源系统设计的基本要求。

1.1 脉冲信号模型

任意的脉冲信号理想模型可表示为

s(t)=A(t-τ)·m(t)

(1)

其中:m(t)为脉冲内的调制函数;A(t-τ)为脉冲幅度的调制函数;τ为脉冲宽度;t为时间。HPM系统发射时,一般是饱和最大功率发射,因此,脉冲内幅度A为恒定值,可表示为

(2)

对于脉冲内调制函数m(t),调制形式可以是点频、线性调频及相位调制等形式。根据傅里叶变换原理,任意波形最终可表示为多个频率信号合成的结果,因此为简化分析模型,采用脉冲内点频调制的脉冲波形进行仿真分析。假设信号产生的中心频率为fc,信号源产生的链路的幅度和相位特性可等效为一个滤波器。设等效滤波器带宽为B、中心频率与信号中心一致,理想信号与等效滤波器输出则为微波源输出信号s,可表示为

s(t)=A(t-τ)·ej2πfct*F(fc,B)

(3)

其中:*为卷积运算;F(fc,B)为中心频率为fc,带宽为B的滤波器。基于输出信号模型进行数值仿真,研究脉冲上升沿的影响因素和变化趋势。

1.2 仿真分析

脉冲上升沿定义为脉冲包络幅度的10%到90%之间的上升时间。仿真实验将从滤波器的响应特性幅度和相位响应2方面研究其对脉冲上升沿的影响。仿真实验时,首先研究滤波器带宽对脉冲上升沿的影响,参数设定如下:采样率为40 GHz;中心频率fc为5 GHz;滤波器带宽分别取10～90 MHz(间隔为10 MHz),100 MHz～2 GHz(间隔为100 MHz)。仿真得到脉冲信号上升沿随通道带宽间的变化关系如图2所示。由图2可见,在理想恒增益和线性相位的滤波情况下,随着通道带宽的增大,脉冲上升沿可更陡峭,在极窄滤波器情况下,上升沿可达1.3 ns,当带宽为1 GHz时,脉冲上升沿小于1 ns。但在实际链路的幅度和相位响应会有起伏,会对时域脉冲的上升沿产生影响。

图2 脉冲信号上升沿随通道带宽间的变化关系Fig.2 Rise time of pulse signal vs. channel bandwidth

对滤波器幅度起伏和相位起伏对脉冲上升沿的影响进行了仿真分析。理想滤波器的幅度和相位响应如图3所示。由图3可见,理想情况下,滤波器的幅度是平顶,且相位响应为线性响应。

(a) Amplitude response

(b) Phase response

采用控制变量的方式构建幅度和相位起伏的滤波器,不同幅度和不同相位起伏滤波器的仿真结果如图4所示。

(a) Amplitude fluctuation

(b) Phase fluctuation

通道幅相特性对脉冲上升沿的影响如图5所示。由图5可见,随着幅度和相位起伏的增大,脉冲上升沿在持续增长,且在特定的起伏下出现了一些奇点,说明幅度和相位起伏对上升沿产生了较大的影响。因此,在高功率微波系统应用中,为得到较好的上升沿特性,信号源在设计时需保证信号产生链路具有较好的幅度和相位一致性。

(a) Rise time vs. amplitude fluctuations

(b) Rise time vs. phase fluctuations

通过仿真研究结果发现,信号产生系统带宽和带内幅相一致性与快上升沿信号的产生密切相关。产生纳秒量级上升沿信号,系统带宽需大于850 MHz,且信号产生系统带内幅相起伏对脉冲上升沿有重要影响,需保证脉冲信号覆盖的频带内的幅相平坦度。微波光子技术具有带宽大和带内幅相特性好的特点,可用于快上升沿波形的产生。

2 基于光子合成的信号产生方法

由第1节仿真结果可见,脉冲信号上升沿的陡峭程度与信号产生通道链路的带宽及幅度相位响应密切相关。通道带宽越宽,通道幅度响应越平坦,相位响应线性度越好,脉冲上升沿越陡峭。微波光子技术是利用光的大带宽特性在光域处理射频信号产生、传输及处理的技术[13],具有带宽大、带内平坦且线性度好的特点[14-15],是一种实现宽带通道的重要途径。本文利用微波光子链路的宽带特性,提出了一种基于微波光子合成的快上升沿脉冲信号产生技术,产生原理如图6所示。

由图6可见,快上升沿脉冲信号产生原理为:将多个低带宽的电信号发生器经全光采样阵列调制到光波上,在光域合成大带宽的中频信号,经过光子变频条将频谱搬移到所需要的频率,再通过带通滤波和放大之后输出。整个合成和变频过程中,采用微波光子技术实现了全部宽带通道,同时具有较好的宽带响应、幅度平坦度和相位线性度。该信号产生还具备任意波形产生的能力,可根据功能需求产生多种调制波形,满足未来高功率微波系统多功能一体化的需求。

3 样机研制及测试

根据第1节和第2节的设计思路,研制完成了基于光子合成的脉冲信号产生样机,并进行了相应测试。样机测试流程如图7所示。由频率源为光子合成脉冲源提供必需的时钟和本振频率;通过控制计算机将要生成的波形数据下载进光子合成信号源中,产生相应的脉冲波形;利用高速示波器将产生的波形进行数字采样和分析。

图6 基于微波光子合成的快上升沿脉冲信号产生原理Fig.6 Block diagram of signal generation based on photon synthesis

图7 样机测试流程Fig.7 Blockgram of prototype test

图8和图9分别为示波器采集到的5,10 ns时域波形。由图8和图9可见,基于光子合成的脉冲信号产生样机可产生5 ns和10 ns脉宽的窄脉冲信号,脉冲上升沿分别达到0.96 ns和1.37 ns。

光子合成脉冲源产生的非线性调频波形和PSK调频波形,经示波器采集后进行时频分析。脉宽为5 μs,带宽为10 MHz的非线性调频波形时频如图10所示。

(a) Complete waveform collected by the oscilloscope

(b) Enlarged view of the rise edge part

(a) Complete waveform collected by the oscilloscope

(b) Enlarged view of the rise edege part

由图10可见,信号频率随着时间呈非线性变化。图11为脉宽为5 μs,带宽为50 MHz的PSK调制脉冲串信号时频图。由图11可见,基于光子合成的信号源样机可产生复杂调制型波形,调制形式具有很高的自由度。

(a) Time-domain waveform

(b) Time-frequency analysis results

(a) Time-domain waveform

(b) Time-frequency analysis results

4 结论

针对固态高功率微波系统对短脉冲、快上升沿脉冲的需求,本文对影响脉冲上升沿时间的因素进行了仿真分析。结果表明,信号产生链路的带宽、带内幅度平坦度和带内相位线性度对脉冲上升沿有较大影响。因此,本文利用微波光子宽带平台线性度好的特性,提出了基于光子合成的快上升沿脉冲信号产生方法,研制了光子合成信号产生样机,并进行了实验测试。测试结果表明,研制的光子合成信号产生样机可产生脉宽为5 ns～5 μs的脉冲信号,脉冲上升沿小于1 ns,且具备非线性调频、PSK调制等复杂调制信号产生的能力。对于固态微波系统,基于光子合成的脉冲信号产生源,在具有快上升沿的特点时兼具任意波形产生能力,可为拓展固态微波系统能力边界提供技术支撑。