摘要：為了準(zhǔn)確判定目標(biāo)偏離天線軸的方向和消除旁瓣應(yīng)答信息干擾，二次雷達(dá)接收系統(tǒng)采用了三路對(duì)數(shù)接收機(jī)單脈沖比幅體制，將帶有目標(biāo)信息的射頻信號(hào)變換成對(duì)數(shù)視頻送至應(yīng)答處理，通過對(duì)和、差通道脈沖信號(hào)鑒相器處理，判定目標(biāo)偏離天線軸的方向；運(yùn)用對(duì)和、控制通道脈沖幅度比較的方法，產(chǎn)生接收旁瓣抑制信號(hào)以消除應(yīng)答干擾。從實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品交竹后的使用情況來看，接收機(jī)設(shè)計(jì)合理，幅相處理效果滿足雷達(dá)整機(jī)的要求。
關(guān)鍵詞：二次雷達(dá)；對(duì)數(shù)接收機(jī)；鑒相器；脈沖比幅
0 引言
二次雷達(dá)也稱為航空交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)，通過地面站和目標(biāo)應(yīng)答器之間的詢問和應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤，接收到的回波中包含了目標(biāo)的距離和方位信息、氣壓高度信息，還可以用于對(duì)軍用和民用目標(biāo)的識(shí)別。二次雷達(dá)采用問答方式工作，詢問與應(yīng)答射頻信號(hào)波長不同，消除了地物雜波、氣象雜波的干擾，因此應(yīng)答回波比一次雷達(dá)反射回波強(qiáng)得多。
二次雷達(dá)的接收系統(tǒng)采用對(duì)數(shù)比幅單脈沖體制。其中關(guān)鍵在于高精度、大動(dòng)態(tài)的對(duì)數(shù)放大器，由于對(duì)數(shù)放大器為一種非線性放大器，其輸出幅度與輸入幅度的對(duì)數(shù)成正比。這樣，當(dāng)輸入信號(hào)在較大的范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出信號(hào)只在較小的范圍內(nèi)變化，大大壓縮了接收機(jī)輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，因而具有較好的抗飽和特性；它可以使雷達(dá)的接收機(jī)在強(qiáng)信號(hào)作用下不飽和，同時(shí)也減少了小目標(biāo)的丟失，能同時(shí)監(jiān)視多個(gè)強(qiáng)弱懸殊很大的目標(biāo)回波。
1 接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)
雷達(dá)的接收系統(tǒng)由三路對(duì)數(shù)接收機(jī)組成，采用單脈沖比幅體制。原理框圖如圖1所示。
接收系統(tǒng)將天線送來的∑，△，Ω三路射頻信號(hào)，分別在幅相特性一致三個(gè)通道中進(jìn)行限幅、低噪聲放大、時(shí)間靈敏度控制，濾除鏡像頻率及帶外各種雜散頻率的干擾信號(hào)，然后與本振混頻，下變頻為60 MHz中頻信號(hào)，中頻信號(hào)由前置中放放大、濾波，再經(jīng)對(duì)數(shù)放大成視頻信號(hào)，其中，∑，△視頻信號(hào)log∑和log△傳送給視頻處理機(jī)進(jìn)行A／D變換；∑，△對(duì)放輸出的中頻信號(hào)經(jīng)鑒相，送出相位符號(hào)碼和置信度碼以判定目標(biāo)偏離天線軸的方向；∑，Ω中頻信號(hào)經(jīng)脈沖比幅后，輸出接收旁瓣抑制脈沖信號(hào)。
接收機(jī)采用一次下變頻方式，前置限幅器防止接收機(jī)被大功率信號(hào)燒毀；通過RFSTC來控制接收通道的增益，擴(kuò)展接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，可以根據(jù)二次雷達(dá)工作時(shí)周圍的電磁環(huán)境來裝訂STC曲線，對(duì)落入接收機(jī)帶內(nèi)的強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)行衰減；射頻濾波器抑制鏡像頻率，防止鏡像雜散通過寄生通道落入中頻帶內(nèi)，并且可以抑制帶外的干擾信號(hào)；整個(gè)接收機(jī)的頻帶寬度決定于60 MHz中頻帶通濾波器的帶寬。
2 切線靈敏度
切線靈敏度和通常所說的接收機(jī)靈敏度的概念既有相同又有區(qū)別，它們都是表征雷達(dá)正常工作時(shí)接收最小信號(hào)的能力，不同在于，切線靈敏度專指脈沖調(diào)制信號(hào)，是在接收機(jī)對(duì)數(shù)放大器輸出的視頻信號(hào)中，當(dāng)無信號(hào)時(shí)的噪聲頂部和有信號(hào)時(shí)的噪聲底部處于同一電平時(shí)(即噪聲相切)的信號(hào)功率。如圖2所示是進(jìn)行切線靈敏度測(cè)試時(shí)，示波器觀察到噪聲相切的狀態(tài)。測(cè)試切線靈敏度指標(biāo)時(shí)，關(guān)鍵在于判斷脈沖信號(hào)噪聲頂部與底部是否正好相切，這與觀察判斷等主觀因素有關(guān)，也與接收機(jī)帶寬和測(cè)試周圍環(huán)境明亮有關(guān)。
切線靈敏度：Si(dBm)=-114(dBm)+F(dB)+So／No(dB)+△f／1 MHz(dB)，其中，F(xiàn)為噪聲系數(shù)；△f為中頻帶寬；So／No為接收機(jī)輸出端的信號(hào)噪聲功率。
對(duì)于單脈沖二次雷達(dá)接收機(jī)，要求噪聲系數(shù)小于7 dB或So／No=2時(shí)靈敏度為-93 dBm，帶寬為10 MHz，根據(jù)上述公式可知Si(dBm)=-94 dBm，符合靈敏度指標(biāo)的要求。
3 對(duì)數(shù)放大器
接收系統(tǒng)采用三通道對(duì)數(shù)接收機(jī)，對(duì)數(shù)放大器是一種非線性放大器，具有很大的動(dòng)態(tài)范圍，因此具有優(yōu)良的抗過載特性，能在強(qiáng)信號(hào)或者強(qiáng)干擾作用下不飽和，從而實(shí)現(xiàn)正常接收。
對(duì)數(shù)放大器的技術(shù)指標(biāo)(50 Ω阻抗匹配)如下：工作頻率為60 MHz；動(dòng)態(tài)范圍為60 dB；對(duì)數(shù)斜率為40 mV／dB；對(duì)數(shù)精度達(dá)±30 mV；輸入信號(hào)功率為-60 dBm時(shí)，對(duì)數(shù)起點(diǎn)為100 mV±10 mV；輸入信號(hào)功率為0 dBm時(shí)，對(duì)數(shù)終點(diǎn)為2 500 mV±100 mV；輸入信號(hào)為噪聲時(shí)，對(duì)數(shù)零點(diǎn)小于100 mV。
由于應(yīng)答回波信號(hào)是一串連續(xù)的窄脈沖(脈寬為0．45μs)，二次雷達(dá)的終端在進(jìn)行信息處理的時(shí)候，要求輸入信號(hào)具有足夠陡峭的前沿。因此，經(jīng)對(duì)數(shù)放大后，輸出波形對(duì)應(yīng)于輸入波形不能惡化，脈沖的前后沿不會(huì)變差。特別是在對(duì)放的輸入為大信號(hào)的時(shí)候，脈沖前后沿控制在120 ns以內(nèi)才能保持應(yīng)答處理采樣穩(wěn)定。
4 鑒相處理
4．1 相位差的鑒別
單脈沖二次雷達(dá)接收到的和差回波信號(hào)的相位差反映了目標(biāo)偏離天線軸的方向。對(duì)和、差接收通道的60 MHz中頻信號(hào)進(jìn)行鑒相處理，鑒相器根據(jù)鑒相結(jié)果產(chǎn)生相位符號(hào)碼和置信度碼。
用相位符號(hào)碼來確定應(yīng)答信號(hào)是在天線軸的哪個(gè)方向：處在天線軸向右方的∑，△信號(hào)是同相的，處在天線軸向左方的∑，△信號(hào)相位差180°，在天線軸向的∑，△信號(hào)相位差90°；用置信度碼來表示鑒相的結(jié)果是否可信，如圖3所示。
鑒相處理原理框圖如圖4所示。
4．2 相位鑒別的關(guān)鍵問題
4．2．1 相位補(bǔ)償與校準(zhǔn)
在對(duì)和差信號(hào)鑒相前，通過中頻移相器來進(jìn)行相位的校準(zhǔn)，消除∑，△通道本身的相位差，保證鑒相結(jié)果真實(shí)可靠。選擇中頻移相器時(shí)，要考慮到其移相范圍是否能滿足通道相位差的校準(zhǔn)。
4．2．2 噪聲門限的設(shè)定
由于接收前端有低噪聲放大器、補(bǔ)償放大器和中放，整個(gè)接收通道的增益會(huì)給系統(tǒng)帶來本底噪聲，把本底噪聲的幅度設(shè)定為一個(gè)門限，小于這個(gè)幅度的信號(hào)都作為噪聲來進(jìn)行處理。
4．2．3 動(dòng)態(tài)范圍
鑒相器在整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)工作正常，特別要考慮到如果和差信號(hào)強(qiáng)弱懸殊很大時(shí)，根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)底噪聲，當(dāng)其中一路信號(hào)的幅度低于噪聲門限時(shí)，當(dāng)作噪聲來處理，鑒相結(jié)果：置信度為0(即鑒相結(jié)果不可信)，相位符號(hào)在0和1之間翻轉(zhuǎn)。
4．2．4 脈沖前后沿的對(duì)齊
根據(jù)圖3所示，對(duì)∑，△通道信號(hào)進(jìn)行脈沖鑒相，不同的相位差對(duì)應(yīng)各自的相位符號(hào)狀態(tài)。相位符號(hào)在0或1不同狀態(tài)時(shí)要保持前沿對(duì)齊，誤差控制在30 ns以內(nèi)，否則應(yīng)答處理無法正常采樣。
4．2．5 脈沖寬度的保持
接收的應(yīng)答信號(hào)脈寬為0．45μs，其中，上升沿和下降沿各0．1μs，經(jīng)過鑒相后，相位符號(hào)和置信度的脈沖平頂需保持在0．25μs以上，使應(yīng)答處理采樣穩(wěn)定。
4．3 鑒相處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖5，圖6是示波器觀察到的鑒相結(jié)果，即對(duì)應(yīng)不同相位差時(shí)輸出的相位符號(hào)碼。
5 接收旁瓣抑制
5．1 旁瓣抑制的原理
當(dāng)二次雷達(dá)工作的時(shí)候，近距離的飛機(jī)能夠被天線的旁瓣探測(cè)到，如果沒有特殊的旁瓣抑制措施，會(huì)使地面接收裝置接收到來自旁瓣的應(yīng)答信息，從而夸大飛機(jī)的數(shù)量。因此，在接收時(shí)，將旁瓣抑制通道(Ω通道)收到的回波也利用起來，將Ω通道與∑通道回波比幅：當(dāng)∑大于Ω信號(hào)幅度，認(rèn)為是主瓣接收的信號(hào)；而當(dāng)Ω大于∑信號(hào)幅度，則認(rèn)為是旁瓣接收的信號(hào)，此時(shí)送出接收旁瓣抑制信號(hào)，對(duì)旁瓣進(jìn)行抑制。
5．2 脈沖比幅的方法
脈沖比幅原理框圖如圖7所示。
從圖7中的∑-Ω時(shí)域上可以看到：對(duì)∑脈沖延遲0．5個(gè)脈寬，對(duì)Ω脈沖延遲1個(gè)脈寬，將延遲后的Ω脈沖與原Ω脈沖合成，經(jīng)過合成后，Ω脈沖擴(kuò)展至2個(gè)脈寬，在進(jìn)行脈沖幅度比較的時(shí)候，∑脈沖的前沿和后沿均被脈寬經(jīng)過擴(kuò)展的Ω脈沖完全覆蓋，采用這樣的處理方法，很好的解決了脈沖比幅時(shí)前沿難以對(duì)齊的問題。
5．3 脈沖比幅的關(guān)鍵問題
5．3．1 幅度一致性
接收機(jī)三個(gè)通道的幅相特性保持一致，振幅差控制在1 dB以內(nèi)，在脈沖比幅前，消除不同接收通道增益差異對(duì)Σ信號(hào)和Ω信號(hào)自身幅度的影響，保證比幅的結(jié)果真實(shí)可靠。
5．3．2 動(dòng)態(tài)范圍
脈沖比幅的信號(hào)幅度在整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，特別是∑信號(hào)和Ω信號(hào)強(qiáng)弱懸殊很大，其中一路信號(hào)幅度接近噪聲電平或者是信號(hào)與噪聲的幅度比較的情況下，比幅的結(jié)果也要保持正確，輸出的接收旁瓣抑制為穩(wěn)定的0或1脈沖信號(hào)。
5．4 脈沖比幅的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖8是示波器觀察到的脈沖比幅結(jié)果：接收旁瓣抑制信號(hào)。
6 結(jié)語
接收系統(tǒng)采用三路對(duì)數(shù)接收機(jī)單脈沖比幅體制，設(shè)計(jì)簡單合理，可靠性高，完全滿足某型號(hào)二次雷達(dá)研制的技術(shù)指標(biāo)要求，經(jīng)過外場(chǎng)試驗(yàn)和產(chǎn)品交付用戶使用的情況來看，接收機(jī)對(duì)應(yīng)答脈沖信號(hào)的幅相處理達(dá)到了預(yù)期的效果，對(duì)于其他二次雷達(dá)接收機(jī)的研制，具有很好的參考和借鑒作用。