高频地波雷达相位补偿系统_徐满

第 9期
徐 满, 等: 高频地波雷达相位补偿系统
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1 总体设计思想及原理
首 先, 整个系统的设计思想是将雷达的发射 ( 接 收 ) 信号采集下来, 新雷达系统采用多 发多收的工作 模式, 为了便于设计, 也用双发多收的工作模式, 发射 信号的波形为幅值和相位相同正弦波。两路发射信号 的相位在进入通道之前相同, 根据相控阵雷达的工作 原理, 要保证两路发射信号 ( 或者多路接收信号 ) 在经 过通道后相位一致, 必须得到两路信号在通过通道后 的相位差。故在对两路发射信号进行采集后, 应对两 路信号进行整形, 得到两路信号的相位差, 并测出相位 差的大小。然后用测得结果 作为移相电路的 控制信 号, 实现系统对信号的自适应移相 [ 3] 。总体设计思想 的框图如图 1所示。
【K ey w ords】 h igh frequency ground wave rada r; phase m easurem en t; phase sh ift coup le; phase sh ifter
0引 言
OSMAR2000 是工作在高频段的相控阵地波雷达 系统。它以监测海洋表面动力学要素 风、浪、流场 为目的, 采用 一发八收 , 收发共用工作模式。发射 平均功率 100 W, 覆盖 120 扇面, 用了 8个接收通道, 采用数字波束形成 ( DBF ) 可以探测角度分辨率为 15 的风场 合波浪 信息, 用多 重信号 分类 法 ( MUSIC ) 或 MVM 空间谱估计算法可得到角度分辨率为 2. 5 的流 场 [ 1] 。为了扩大雷达的覆盖扇面和提高角度分辨率, 在新的雷达系统中将采用多发射通道模式。但是这种 工作方式将会带来一个问题: 当采用多通道发射时, 雷 达的发射部分将会用到空间功率合成, 这就要求多路 发射信号的相位保持一致 [ 2 ] , 否则多路发射信号无法 在指定的方位角获得最大的合成功率。在发射部分对 发射信号相位能够产生影响的部分有天线和发射通道 两部分, 虽然在理论上天线和发射通道对信号的相位
C1 = L= Co =
1Z;
R
;
1 + C1Z
1 2L
-
C1
式中: Z 为前级电 路的输出阻抗; R 为电感 的内阻; 为所需达到的中心频率。
2 系统实现
【Ab stract】 OSM AR2000 is a phase con tro lled array ground w ave radar and its w ork ing frequency is in high frequency band. T he w orking mode o fO SMAR 2000 is one transm itting channe l and eigh t rece iv ing channels. A nd the transm itting channe l is also a rece iv ing channe lw hen the radar system is w ork ing in rece iv ing mode. In o rder to g et w ider detec ting sector w e w ill emp loy a new w ork ing m ode which usesm ulti transm itting channe ls and m ulti rece iv ing channe ls. T hen the re w ill be a problem. W hen the signal passes the channe ls, it is m odu lated by the channe ls, and it w ill m ake the radar no t no rm ally w orking. So w e need add a phase detec ting and com pensa ting system to contro l the s igna l phase change. A fter study ing the theo ry o f low frequency phase de tecting system and radio frequency phase sh ifter, a phase de tecting and contro lling system wh ich w ork ing frequency is at h igh fre quency is suggested. T he system w as com po sed o f ana log un its such as d ifferential amp lifier, capac itor, resister and inducter.
图 2 低频相差波形图
1. 3 控制移相 正如在前面所说的, 由于数控移相器的控制信号
难以得到, 因此在移相器的设计上采用了电信号控制 的移相器。该移相器由 RLC元器件组成, 其传输函数 为全通函数。这是因为在移相的同时并不希望改变信 号的幅值, 而全通函数的幅频特性为常数 K, 因此只要 调整元器件的值, 使 K = 1, 就可以满足要求。而实现 电控制的关键则是变容二极管的使用。变容二极管是 利用二极管内部 PN结 的结电容 ( 或者称为接触势 垒电容 ) 能随外加反向电压的变化而变化这一原理专 门设计出来的一种特殊二极管。反向偏压越大, 结电 容越小。因此, 将鉴相器的输出电压作为变容二极管 的反向偏压, 随着反向偏压的改变, 二极管的结电容也
不会产生设计之外的影响。 但是, 在实际工作中, 信号频率的变化和工作环境
等因素使得系统偏离了设计值。其中, 天线对信号相 位的影响是这两者中最大的, 而且也是最复杂的, 相控 阵天线阵列的移相器可以补偿天线对信号相 位的影 响。同样, 在接收信号时接收通道由于和发射部分相 同的原因对接收信号的相位也会产生影响。因此, 需 要一个能实时对发射通道 ( 接收通道 ) 的相位进行检 测和补偿的相位控制系统, 以保证雷达在多通道发射 的情况下能正常工作。
第 28卷 第 9期
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2006年 9月
现 代雷达 M odern R adar
V o.l 28 N o. 9 Septem ber 2006
收 /发技术
高频地波雷达相位补偿系统*
徐 满, 田建生, 康 勇, 梅安华, 汪 洋
( 武汉大学电子信息学院, 武汉 430079)
【摘要】 O SM AR 2000采用的是 一发八收, 收发共用 模式的 相控阵 高频地 波雷达。为 了扩大 其探测 的范围, 在新 的雷达系统中将 采用多发多收的模式, 从而导致当信号通过通道后, 信号的相位会因受到通道 的调制而发 生改变, 使得雷 达无法正常工作 , 因此需要对通道的相位进行实时监控和补偿。在参考了低频 段的相位测量原理和 射频段的相 移电路的 设计理论的基础 上, 该文提出了基于差分放大器、容阻和容感器件的高频地波雷达收发通道的相位控制系统。
本文在参考了低频段的相位测量原理和射频段的 相移电路的设计理论的基础上, 提出了基于差分放大 器, 容阻和容感器件的高频地波雷达收发通道的相位 控制系统。该系统能够自适应的对两路信号的相差进 行测量, 并将其转化为控制信号来控制移相器的工作。
* 收稿日期: 2006 04 11 修订日期: 2006 07 15
为将两路整形后的信号通过一个异或电路, 得到其相
差。而后用一个高频时钟对相位差和原始信号进行计
பைடு நூலகம்
数, 将所得的结果相比就可得到相差。波形图如图 2
所示。如果设原始信号的周期为 T, 两路方波信号相
邻的上升沿之间的 时间差为 t, 则 相位差 = T t。
而且假设信号的频率为 fw , 测相所需的精度为 a, 则所
图 1 总体设计思想
1. 1 信号整形
整形电路选用的过零比较电路。这是因为两路正
弦信号的幅值在通过通道后发生了改变, 如果用普通
的二极管钳位整形电路, 则会引入相位误差。而过零 比较电路则可以很好的克服这个问题, 它只是将信号
的幅值与零电平进行比较, 当信号由零点向正值变化
时产生一个正向的跳变, 反之则产生一个负向的跳变,
【关键词】 高频地波雷达; 相位测量; 移相耦合; 移相器 中图分类号 : TN 957 文献标识码: A
Phase Compensation System for HF GroundW ave R adar
XU M an, T IAN Jian sheng, KANG Yong, ME I An hua, WANG Y ang ( E lectron ic Inform at ion Schoo,l W uhan Un iversity, W uhan 430079, Ch ina)
需的计数时钟的频率 fr = fw
360 。从该等式可以看 a
出在高频段, 该计数时钟的频率极难得到。因为如果
信号的频率为 8MH z, 测相精度为 1 的话, 需要的计数 时钟频率为 2. 56 GH z[ 4] 。而且即使时钟频率可以实
现, 如何将相位差信号转换为电控移相器的控制信号, 这也是一个很大的问题。所以在相差的测量和移相器 的设计上采用了模拟器件来实现, 因为只要信号的频 率在模拟器件的工作频率范围内就可以实现对信号测 相和移相, 因此在测相这个部分, 采用工作在高频段的 差分放大器和晶体管组成。其电路图如图 3所示, 由 此可以构成一个高速的相位比较器, 其中 R 2 和 R4 是 为了保证 IC13和 IC14的集射极的偏压。R3 和 R5 是规 格相同的两个电阻, 它们的作用是给比较器提供特定 大小的电流, 通过对这些电阻值的设置, 可以使差分放 大器和晶体管在它们的额定最大频率处正常工作。该 电路的测相原理是因为两路信号在通过过零比较电路 后, 有了相同的幅值。这样由两个同样规格的差分放 大器组成的比较器是匹配的。因此输出电压 Vos, 也即 集电极的平均电压, 也是在一个范 围内稳定的波 动。 这样当两路输入信号的相位相同的时候, 集电极的平 均电压为 0 V; 当两路输入信号的相位差为 90 时, 集 电极的平均电压为 Vos /4; 当两路输入信号的相位差为 180 时, 集电极的平均电压为 Vos / 2。可见在集电极电 压和相差之间的关系为线性关系, 这意味着可以将两 路信号间的相移看作集电极电压的函数。这样通过测 得集电极电压的值, 就可以知道两路信号的相差, 同时 可以将该电压值作为移相器的控制电压。
最后输入信号转化为一个方波信号。方波信号的过零
点及其变化方向与原信号一致。这样通过比较两路整
形后输出信号相邻的同向跳变沿就可以得到两路信号
的相位差信息。
1. 2 相位差检测
由于需要对通道的相位进行实时的监控, 必须把
该相位差信息转化为移相器的控制信号。首先需要测
量出两路信号的相位差。传统上低频段测相计的原理
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现代雷达
28 卷
图 4 移相器电路图
图 3 鉴相器电路图
随之改变, 这样就实现了对信号的 自适应移相。一个 典型的电控移相器是由 耦合器和移相网络组成的, 电路如 图 4所示[ 5]。其移相过程是当需要移相的信号通过输入端 输入到移相耦合器后, 被 3 dB 90 耦合器分成两路。信号 被分别送到两支路, 同时产生了 90相移。两条支路的末端 分别连接着一个同样型号的变容二极管, 由这两个变容二 极管来实现对信号的移相。由于信号为高频信号, 因此在 耦合器的 2, 3端口会有从两条支路来的反射信号。两路反 射信号在耦合器中被重新组合, 两路信号在输出端口 ( 4号 端口 )的相位是相同的, 因此在输出端被合成一个信号而在 输入端 ( 1号端口 )两路反射信号的相差为 180, 因此两路 反射信号在输入端相互抵消。而且移相器的中心频率取决 于所选用移相耦合器的中心频率。耦合器的电路图如图 5 所示, 由集总元件组成, 元件的取值可由下面的等式来确定