一種輻射功率檢測(cè)器的研制

摘要：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種便攜式、通用性強(qiáng)、模塊化，高可靠性的輻射功率檢測(cè)器。該檢測(cè)器在有源電子對(duì)抗設(shè)備的日常維護(hù)、保養(yǎng)中，可用于輻射功率的快速準(zhǔn)確檢測(cè)，可適應(yīng)于不同頻段、不同環(huán)境的應(yīng)用需要，提高了有源電子對(duì)抗設(shè)備的維護(hù)檢測(cè)效率，解決了有源電子對(duì)抗設(shè)備日常維護(hù)難以檢測(cè)的難題。
關(guān)鍵詞：便攜式；輻射功率；有源電子對(duì)抗；設(shè)備維護(hù)

0 引言
    隨著國(guó)力的提升，我軍裝備大量的有源電子對(duì)抗裝備，并迅速更新?lián)Q代。為滿足平時(shí)訓(xùn)練、戰(zhàn)時(shí)打仗的需要，對(duì)有源電子對(duì)抗裝備的日常維護(hù)、保養(yǎng)、維修均提出了很高的要求，急需研制一種便攜、實(shí)用的檢測(cè)設(shè)備。本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)大功率電子干擾設(shè)備的輻射功率檢測(cè)器，檢測(cè)器體積小、重量輕、模塊化設(shè)計(jì)，非常適用于有源電子對(duì)抗設(shè)備的日常維護(hù)、保養(yǎng)。

1 工作原理
1．1 有源電子干擾設(shè)備工作原理
    有源電子干擾設(shè)備是針對(duì)作戰(zhàn)對(duì)象輻射源信息，采用大功率壓制噪聲、欺騙干擾等輻射射頻信號(hào)，用以與真實(shí)雷達(dá)反射信號(hào)抗衡，達(dá)到破壞迷惑敵方雷達(dá)的功能的目的。常用的電子干擾設(shè)備包括引導(dǎo)式干擾設(shè)備、應(yīng)答式干擾設(shè)備，這里以引導(dǎo)式干擾設(shè)備為例，典型的引導(dǎo)式有源電子干擾設(shè)備的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    圖中，引導(dǎo)式有源電子干擾設(shè)備通過接收機(jī)引導(dǎo)，干擾機(jī)發(fā)射，提供有源電子干擾的能力，同時(shí)對(duì)抗可覆蓋頻段范圍內(nèi)的多部雷達(dá)。圖中所示系統(tǒng)包括一部接收機(jī)，用于檢測(cè)和接收偵察接收天線所截獲的信號(hào)，給出載頻(RF)、脈寬(PW)、脈沖幅度(PA)、到達(dá)角(AOA)、到達(dá)時(shí)間(TOA)等脈沖描述字(PDW)參數(shù)，用以引導(dǎo)干擾機(jī)，以便有源電子干擾機(jī)在時(shí)域、頻域和空域三個(gè)方面覆蓋作戰(zhàn)對(duì)象；一部干擾機(jī)，包含干擾控制、干擾發(fā)射機(jī)、干擾波束控制和干擾天線等幾部分，用以將引導(dǎo)后產(chǎn)生的干擾信號(hào)以一定的功率輻射出去。在系統(tǒng)工作時(shí)，有源電子干擾機(jī)要將控制的存儲(chǔ)信號(hào)或信號(hào)源信號(hào)輻射出去，要保證產(chǎn)生足夠的輻射功率來壓制真實(shí)雷達(dá)信號(hào)，即要保證最終輻射輸出功率的正常。
    在有源干擾設(shè)備的試驗(yàn)和研制過程中，可以采用大功率計(jì)、頻譜分析儀等通用檢測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)接收有源干擾設(shè)備輻射輸出的信號(hào)，用以判斷其工作是否正常，但在有源干擾設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)中，一般沒有這些通用設(shè)備。一方面因?yàn)楣β视?jì)、頻譜分析儀等通用設(shè)備屬于精密儀器儀表，價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜；另一方面這些通用設(shè)備無法長(zhǎng)期在惡劣的環(huán)境下(鹽霧、潮濕、高溫、低溫)使用，而軍用的有源電子對(duì)抗設(shè)備都是工作在惡劣的環(huán)境下，所以必須研制一種便攜式、價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單、具有較高可靠性，適用于惡劣環(huán)境的設(shè)備來滿足有源電子干擾設(shè)備的日常維護(hù)需求。
1．2 輻射功率檢測(cè)器的原理及方案設(shè)計(jì)
1．2．1 檢測(cè)器組成
    輻射功率檢測(cè)器是通過接收有源電子對(duì)抗設(shè)備輻射的射頻信號(hào)，轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)功率，并給出功率指示，來判斷輻射功率是否正常。其工作框圖如圖2所示。

    在圖2中，接收天線安裝在三角架上，指向被測(cè)系統(tǒng)發(fā)射天線方向，用來接收被測(cè)系統(tǒng)輻射出的射頻信號(hào)，接收天線與便攜式機(jī)箱之間采用低損耗射頻電纜連接。便攜式機(jī)箱包含有微波模塊、視頻檢波模塊、調(diào)理電路模塊、微處理單元、顯示面板和控制電路幾部分，其中顯示面板和控制電路部分安裝在機(jī)箱面板上，其余部分安裝在機(jī)箱內(nèi)部。
    檢測(cè)器各主要模塊功能如下：
    接收天線：接收被測(cè)設(shè)備的輻射信號(hào)，具有定向性，提供一定增益和頻段選擇，接收天線與機(jī)箱之間采用低損耗射頻電纜連接；
    微波模塊：對(duì)接收到的輻射信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、頻段選擇、衰減控制等，輸出的微波信號(hào)送視頻檢波模塊；
    視頻檢波模塊：對(duì)接收到的微波信號(hào)進(jìn)行視頻檢波，檢波輸出為視頻信號(hào)，采用的是大動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度的DLVA(數(shù)字對(duì)數(shù)檢波視頻放大器)；
    調(diào)理電路模塊：調(diào)理電路包含運(yùn)算放大器、A／D轉(zhuǎn)換等，將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；
    微處理器單元模塊：微處理單元模塊包含MCU，FPGA，RS 232接口等，將接收到的數(shù)字信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為功率信號(hào)，并將功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為可顯示的數(shù)值送顯示面板顯示；
    顯示面板：采用數(shù)碼管顯示的方式，直觀地給出最終的功率值；
    控制電路：完成輸入信號(hào)的選擇、濾波、頻率選擇、衰減等開關(guān)控制；
    電源：提供電源輸入保護(hù)，從+28 V變換為±5 V、±12 V，分別給其他各模塊提供電源。
1．2．2 硬件設(shè)計(jì)
    (1)調(diào)理電路模塊
    調(diào)理電路模塊對(duì)視頻檢波輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行放大、模／數(shù)轉(zhuǎn)換。放大芯片采用ADI公司的AD8132AR，提供3 dB帶寬，350 MHz，1 200 V／μs轉(zhuǎn)換速率，可通過電阻比改變?cè)鲆?。A／D芯片采用TI公司的TLC5540，8位采樣，最大采樣速率達(dá)40MHz，+5V單電源供電。A／D芯片TLC5 540的電壓參考采用Maxim公司的高精度，低功耗電壓參考芯片MAX6166，電壓精度可達(dá)±2mV，輸出電壓為2．5V。
    (2)MCU
    MCU單元完成系統(tǒng)控制、計(jì)算機(jī)接口控制、參數(shù)設(shè)置、面板接口控制、設(shè)備參數(shù)加載初始化等功能。
    選用Atmel公司的8位單片機(jī)AT89S8253，兼容標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51結(jié)構(gòu)，具有12 KB的片內(nèi)FLASH，2 KB的E2PROM，256×8 b的內(nèi)部RAM，保證了程序的運(yùn)行空間和參數(shù)的存儲(chǔ)，32位可編程I／O接口滿足對(duì)外連接的需要，四級(jí)中斷、可編程看門狗保證了系統(tǒng)的可靠性。
    (3)RS 232電平轉(zhuǎn)換
    通用的計(jì)算機(jī)接口均為RS 232電平標(biāo)準(zhǔn)，要實(shí)現(xiàn)與MCU的通信，必須將標(biāo)準(zhǔn)的RS 232電平串口轉(zhuǎn)換為TTL電平的UART信號(hào)。
    為保證電源簡(jiǎn)單、功耗低，RS 232接口芯片選用了Maxim公司的MAX202E，只需+5V單電源供電，外部只需4個(gè)0．1μF的電容即可工作，提供雙路RS 232接口。
    (4)FPGA
    FPGA模塊作為系統(tǒng)的核心模塊，接收來自MCU的加載參數(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)接收高速的采樣數(shù)字信號(hào)，將采樣的數(shù)字信號(hào)與加載的參數(shù)比對(duì)、校正、組合，轉(zhuǎn)換為可以顯示的BCD碼，送給數(shù)碼顯示管進(jìn)行顯示。芯片選擇Altera公司的EP1K50QC208，包含2 880個(gè)邏輯單元、40 960 b的RAM，1個(gè)鎖相環(huán)，完全滿足系統(tǒng)存儲(chǔ)和運(yùn)算需要。FPGA的加載芯片采用被動(dòng)串行芯片EPC2。
    (5)電源
    電源模塊提供±5 V電源，所選用的FPGA需要3．3 V和2．5 V兩種電源，芯片選用TI公司的REG104GA-3．3，輸入電壓為4．3～16 V，輸出電壓為3．3 V，最大輸出電流為1 A；此外還選用LINEAR公司的LT1764EQ-2.5，最大輸出電流為3 A，最大輸入電壓范圍為3．5～20 V，輸出電壓為2．5V。
1．2．3 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件主要包括MCU程序、FPGA程序，分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、參數(shù)設(shè)置、接口控制、參數(shù)測(cè)量轉(zhuǎn)換等功能。
    (1)MCU軟件
    MCU軟件是整個(gè)系統(tǒng)的管理核心部分，實(shí)現(xiàn)接口控制、監(jiān)測(cè)，完成參數(shù)設(shè)置、更新，實(shí)現(xiàn)與外部接口計(jì)算機(jī)的通信；與FPGA連接，設(shè)置FPGA的初始化參數(shù)表，流程圖如圖3所示。

    (2)FPGA軟件
    FPGA軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，主要完成數(shù)據(jù)采集后緩沖、校正、變換等處理，通過接收來自MCU設(shè)置的參數(shù)，選擇不同的工作模式，最終將接收到的數(shù)據(jù)通過查表、編碼轉(zhuǎn)換為可顯示的BCD碼，其流程框圖如圖4所示。

    (3)性能測(cè)試
    通過實(shí)際測(cè)試，設(shè)計(jì)的輻射檢測(cè)器處理信號(hào)靈敏度可達(dá)到-45 dBm，最小脈沖寬度為1 μs，動(dòng)態(tài)范圍為45 dB，可檢測(cè)脈沖調(diào)制和連續(xù)波信號(hào)。

2 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的便攜式大功率輻射檢測(cè)器可實(shí)現(xiàn)輻射功率的自動(dòng)測(cè)量，采用便攜式、小型化設(shè)計(jì)，重量輕(小于5 kg)、體積小、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大，可檢測(cè)連續(xù)波信號(hào)、脈沖調(diào)制信號(hào)，模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性好，靈活性強(qiáng)，通過采用不同模塊，可實(shí)現(xiàn)較寬的頻段覆蓋，適用于有源電子對(duì)抗設(shè)備的日常維護(hù)、保養(yǎng)和維修，也適用于雷達(dá)、指令等設(shè)備的日常檢測(cè)。