基于对数放大器的三通道合一测角方法

陈 煦, 邓 春, 吕海飞, 何文青, 杨 扬

(上海无线电设备研究所,上海 201109)

0 引言

和差振幅单脉冲测角体制是制导系统常用的测角体制之一。回波测角信道将和信号、俯仰差信号、偏航差信号混频为中频信号,两路差信号经频率、相位多路复用处理后,与和信号合成一路类似调幅的合成信号,经主中频放大器放大、自动增益控制(AGC)及和差信号归一化处理后,再进行包络检波和解调,形成俯仰和偏航两路角误差信号[1]。这种测角方法因电路角误差解调时间较长,不适用于短时目标角位置信息提取,且为了保证动态范围,需要进行级联中频放大和自动增益控制,电路结构复杂。

本文以单脉冲比幅测角方法为例,采用连续检波对数放大器作为主要器件,实现回波信道的瞬时大动态检波。连续检波对数放大器动态范围较大,检波信号输出时间较短,且检波信号输出幅度与输入信号的调制度成正比,与输入信号的强弱无关。这种测角信道设计大大降低了回波信道的复杂度,缩短了角误差解调时间,适用于要求测角快速响应的制导系统[2]。

1 单脉冲比幅测角原理

单脉冲和差比幅测角是利用同一角平面内两个偏轴对称的相同波束,将其同时接收到的回波信号做和差运算后再进行比幅测角。单脉冲和差比幅测角天线方向图示意如图1所示。其中,θ为目标偏离天线电轴中心的角度,G为天线增益。

图1 单脉冲和差比幅测角天线方向图示意

设天线方向性函数为F(θ)。若两天线波束的偏角为±Δθ,则两个波束的方向性函数F1(θ)和F2(θ)分别表示为

对式(1)进行泰勒级数展开,可得

式中:μ为θ=0°处的差波束斜率。和波束方向性函数F∑(θ)和差波束方向性函数FΔ(θ)分别为

点目标回波信号可表示为

式中:a为点目标回波信号幅度;ω(t)为回波信号角频率;φ为回波信号初始相位。

设目标偏角为θ0,则点目标回波的和信号S∑(θ0,t)和差信号SΔ(θ0,t)分别为

当θ0小于天线主瓣宽度时,可得

从上面分析可见,天线输出的差信号与和信号的比值,与目标相对天线电轴的偏角成正比。偏角的方向决定了差信号与和信号相位差。目标偏向天线电轴正象限时,相位差为0°,输出的角误差信号为正;目标偏向天线电轴负象限时,相位差为180o,输出的角误差为负。

常见的单脉冲比幅测角通道设计有三通道独立与三通道合一两种方案。三通道独立测角方案将和差三通道输出信号分别进行放大、滤波及比幅处理。该方案对三个通道的增益一致性与相位一致性要求很高,硬件及算法复杂。三通道合一测角方案将俯仰差信号与偏航差信号进行频率与相位多路复用处理,然后与和信号相加形成一路信号,在一个公共接收通道内进行放大、自动增益控制和检波,基本上消除了由于和差信号在不同通道放大引起的增益和相位的不一致,准确保持了从天线所接收到的目标偏角信息,能很好地满足寻的制导系统的测角精度要求。三通道合一测角是制导系统常用的测角方案。

2 三通道合一测角方法

基于三通道合一测角阐述和差比幅测角的具体实现方法。三通道合一比幅测角的实现原理如图2所示[3]。

图2 三通道合一测角的实现原理框图

测角接收机采用倒置接收方式,滤波器设置在信道主要增益的前端。俯仰差中频信号Uα(t)与偏航差中频信号Uβ(t)被两路低频正交信号c o s 2 πfmt与s i n 2 πfmt调制后(fm为调制频率),与和中频信号UΣ(t)综合成一路类似调幅的合成信号;再由主中放进行级联放大、自动增益控制及归一化处理;最后进行包络检波和同步解调,形成俯仰与偏航角误差信号。回波天线接收目标回波信号,通过天线中的和差器转换形成和信号及俯仰差、偏航差信号,三路信号与本振进行超外差混频形成三路中频信号

式中:aΣ(t)表示目标回波信号经过天线转换后形成的和信号幅度;aα(t)=qαaΣ(t)表示回波经过天线转换后形成的俯仰差信号幅度,其中qα为俯仰方向上目标相对天线电轴的夹角;aβ(t)=qβaΣ(t)表示回波经过天线转换后形成的偏航差信号幅度,其中qβ为偏航方向上目标相对天线电轴的夹角;f1为中频频率。

俯仰差与偏航差中频信号分别被两路正交的低频信号进行抑制载波调制后,与和信号相加,综合成一路类似调幅的合成信号

式中:φ(t)为合成信号的相位。对式(10)进行归一化处理后得到

式(11)中归一化信号的包络包含俯仰通道和偏航通道的角误差信息。采用这种方法在一个通道中完成对和差信号的放大和自动增益控制,保证了三路和差信号的幅相一致性[4]。

为了保证接收机的灵敏度和动态范围,对信号进行滤波、放大和归一化处理,并对调理好的信号进行检波,检波后输出的包络信号为

最后通过解调及低通滤波,就可以得到俯仰通道的角误差信号uα和偏航通道的角误差信号uβ,可分别表示为

两路角误差信号正确表征了目标相对天线电轴的偏角信息,能够准确引导回波天线指向目标。

这种测角方案虽然能够准确提取目标偏角信息,但为了保证信道的动态范围达到100DB(天线接收的回波信号动态范围通常为100DB),在中频处理时需要采用级联放大与AGC电路,导致电路结构复杂、可靠性降低、调试难度增大。同时,采用级联中放、级联AGC及包络检波等电路,将使检波信号建立时间偏长(通常大于5Ms),导致测角响应速度慢,无法适应制导系统的高响应速度要求。

3 基于对数放大器的测角方法

3.1 连续检波对数放大器特性理论分析与仿真

连续检波对数放大器是由数级特性相同的限幅放大器级联而成的。对于某级放大器而言,当输入电压较小时,放大器工作在线性区,当输入电压较大时,放大器工作在限幅区。连续检波对数放大器的对数振幅特性是由数级限幅放大输出信号检波电压相加得到的,利用这种方法得到的振幅特性近似于对数关系。图3为连续检波对数放大器的原理框图。

图3 连续检波对数放大器原理框图

图3中,ui为输入的中频幅度包络信号,uo为对数放大器输出的幅度包络信号。设n级放大器的放大倍数均为K,n个检波器的传递系数均为Kj,当n级放大器均工作在线性区时,相加器输出信号可表示为

当第m级放大器正好处于限幅状态,限幅输出电平为ul,则相加器输出信号可以表示为

此时等效输入信号为

当第1级正好处于限幅状态时,相加器输出信号为

此时等效输入信号为

可以得到

由式(21)可知,连续检波对数放大器的输出信号和输入信号的幅度包络近似成对数关系。

调制度为M的调幅(AM)信号可以表示为

式中:fAM为调制的正弦信号频率。

当连续检波对数放大器输入AM信号时,对应的输出信号

根据式(23),对数放大器输出信号包含交流分量uo,ac和直流分量uo,dc,表达式为

直流分量的大小与输入AM信号的载波幅度ui成正比。交流分量的最大值和最小值为

根据交流分量的最大值和最小值,可以计算得到交流分量的幅度

由式(26)可知,输入AM信号时,对数放大器输出信号的交流分量的幅度和输入的AM信号调制度M成正比,而与输入的AM信号载波幅度ui无关。

AM调制信号经过对数放大、检波,输入和输出信号波形的仿真结果如图4所示。

图4 连续检波对数放大器仿真结果

由图4可知,输入AM信号时,对数放大器输出信号包含直流分量与交流分量,直流分量的大小和输入AM信号的载波能量成正比。

输出信号交流分量的幅度与输入信号调制度M的关系仿真结果如图5所示。

图5 输出信号交流分量幅度与输入信号调制度的关系

可知,当输入AM信号的调制度M小于50%时,对数放大器输出信号交流分量的幅度与输入信号调制度M成线性关系。

一般在回波天线的和波束范围内搜索跟踪目标。在和波束内天线输出的和信号功率比差信号功率大6DB以上。则采用图2的测角方法,和差三路信号相加后得到的类似调幅的合成信号的调制度不超过50%。而对于调制度小于50%的调幅信号,对数放大器输出的交流分量幅度与调制度成线性正比关系。因此可以采用连续检波对数放大器实现图2中的级联主中放、级联AGC电路和包络检波电路的功能。

连续检波对数放大器有较大的动态范围,单级对数放大器动态范围通常能达到90DB以上,其输出信号的建立时间也较短,通常小于0.1μs[5]。采用连续检波对数放大器进行测角设计,可以简化回波测角的复杂度和调试难度,提高可靠性,同时缩短角误差的建立时间。

3.2 基于连续检波对数放大器的测角方法

采用连续检波对数放大器代替图2所示传统测角系统中的级联中放、级联AGC和包络检波电路,实现放大、自动增益控制、和差信号归一化、检波的功能。基于连续检波对数放大器的导引头测角系统的原理框图如图6所示。

图6 基于连续检波对数放大器的测角方法原理框图

连续检波对数放大器输出信号的直流分量与输入信号的载波能量成正比,交流分量的幅度与输入的调制度成线性正比关系,且与载波能量无关。可将经过低通滤波的直流分量作为回波能量指示,将经过隔直电容后提取的交流分量送至两路乘法器,分别与两路正交调制信号相乘,解调出俯仰与偏航角误差信号。

连续检波对数放大器可以采用的典型器件,如A D8310、A D8309、A D608等,其输入信号功率一般要求为(-80～+15)DB mW,动态范围为95 DB。回波天线输出的回波信号功率一般为(-130～-30)DB mW。为了保证对数放大器可以处理回波信号的最小功率,其相加器前端的预放大增益应不小于50DB。

若相加器前端的预放大增益为50DB,当回波信号功率达到最大值-30DB mW时,如不加衰减,对数放大器的输入端信号功率为+20DB mW,超出了对数放大器允许的输入信号功率上限+15DB mW。因此需在对数放大器的前端电路中设置一级固定衰减器,当预放大后输出信号功率超出对数放大器的输入信号功率上限时立即使能固定衰减器,使对数放大器输入信号功率始终在器件允许范围内。

4 试验验证

在不同回波功率和不同目标偏角情况下,对基于连续检波对数放大器的回波测角电路进行测试。

在目标的俯仰或偏航偏角为2°时,不同回波功率下,即不同的信号检波幅度下,目标的偏角测试结果如表1所示。

表1 不同回波功率时的目标偏角测试结果

在回波功率为-80DB mW时,不同输入目标偏角下的目标偏角测试结果如表2所示。

表2 不同目标偏角时的目标偏角测试结果

上述测试结果表明,对数放大器输出的检波信号幅度与目标偏角成正比且是线性的关系,而与接收到的回波功率无关,用该检波信号解调输出的角误差所表征的目标偏角与真实的目标偏角基本一致,且角误差信号的建立时间短(不超过200μs)。因此基于连续检波对数放大器的回波测角设计完全适用于对角误差检测响应速度要求较高的应用场景。

5 结论

连续检波对数放大器具有动态范围大、输出信号建立时间短、输出交流分量与输入调制度成正比等特点,可以用于单脉冲回波测角系统。基于连续检波对数放大器的测角方法具有结构简单、调试简便、可靠性高等优点,缩短了角误差信号的建立时间,适用于对测角响应速度要求较高的制导系统。