通用儀表在雷達(dá)試驗中的應(yīng)用*

馬　可

(西安電子工程研究所　西安　710100)

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通用儀表在雷達(dá)試驗中的應(yīng)用*

馬可

(西安電子工程研究所西安710100)

摘要介紹了利用任意波形發(fā)生器N8242A和矢量信號源E8267D在雷達(dá)試驗中的應(yīng)用方法。先通過N8242A產(chǎn)生I、Q兩路模擬基帶信號，再利用E8267D調(diào)制到所需頻段。對于超大帶寬信號，可以通過加裝倍頻器來產(chǎn)生。以線性調(diào)頻信號為例，給出了產(chǎn)生Ka波段帶寬為250MHz和1GHz線性調(diào)頻信號的具體步驟和方法。最后介紹了通用儀表在雷達(dá)試驗時的實驗室方法，并說明了幾點注意事項。

關(guān)鍵詞任意波形發(fā)生器; 矢量信號源; 雷達(dá)試驗

Class NumberTN95

1引言

近年來，隨著精確制導(dǎo)武器和反輻射導(dǎo)彈的發(fā)展，傳統(tǒng)雷達(dá)遭遇到毀滅性威脅的概率增大。反輻射導(dǎo)彈通過截獲目標(biāo)雷達(dá)的發(fā)射信號鎖定目標(biāo)位置，進(jìn)而對其進(jìn)行摧毀。通過設(shè)計一種低截獲概率(Low Probability of Intercept, LPI)雷達(dá)[1～2]，防止發(fā)射信號被截獲、檢測和識別，就可以使雷達(dá)免遭反輻射導(dǎo)彈的毀傷。日益嚴(yán)峻的威脅使得LPI雷達(dá)的研制必須在有限時間內(nèi)完成。這就需要方便快捷地產(chǎn)生各類LPI雷達(dá)信號以及時完成各類性能測試。

雷達(dá)試驗方法通常有四種:專用雷達(dá)目標(biāo)模擬器、虛擬作戰(zhàn)環(huán)境實驗、實際作戰(zhàn)環(huán)境實驗和通用儀表測試。專用雷達(dá)目標(biāo)模擬器是針對具體雷達(dá)系統(tǒng)研制的，其通用性和擴展性較差，實現(xiàn)成本較高。虛擬和實際作戰(zhàn)環(huán)境實驗可以真實地測試出雷達(dá)系統(tǒng)的工作性能，但是其針對性很強，需要耗費大量的人力物力和時間，實現(xiàn)成本非常高。采用通用儀表測試可以模擬各類復(fù)雜雷達(dá)信號，這種方法擴展性能好、通用性強，實現(xiàn)時間短而且成本低[3]。

安捷倫公司的矢量信號源E8267D可以方便地模擬帶寬小于80MHz的各類雷達(dá)信號[4]，但是對于產(chǎn)生更大帶寬的雷達(dá)信號必須增加相應(yīng)功能模塊。本文通過任意波形發(fā)生器N8242A產(chǎn)生基帶I/Q信號，再利用E8267D的I/Q調(diào)制功能將其混頻到所需頻段的方法產(chǎn)生大帶寬調(diào)頻信號，以便捷地產(chǎn)生各類LPI信號進(jìn)行實驗室測試。

2通用儀表介紹

安捷倫公司的任意波形發(fā)生器N8242A具有1.25GHz或625MHz的采樣率，可以利用自帶軟件和Matlab生產(chǎn)高保真復(fù)雜的調(diào)制信號[5]。當(dāng)與寬帶I/Q上變頻器連用時，它可以在微波頻率上實現(xiàn)1GHz調(diào)制帶寬(1.25G采樣率)或500MHz調(diào)制帶寬(625M采樣率)。

安捷倫公司的矢量信號源E8267D覆蓋250kHz～44GHz的頻率范圍，輸出功率可以達(dá)到23dBm典型值，相位噪聲為-120dBc/Hz典型值，可以產(chǎn)生各類數(shù)字和模擬調(diào)制，并具有80MHz射頻帶寬的內(nèi)置基帶發(fā)生器，同時還具有外部模擬I/Q輸入功能[6]。

利用任意波形發(fā)生器N8242A產(chǎn)生基帶調(diào)制信號，通過模擬I/Q輸出到矢量信號源E8267D的外部模擬I/Q輸入端，選擇好輸出功率和頻段并將E8267D設(shè)置為調(diào)制模式，就可將大帶寬調(diào)頻連續(xù)波信號輸出到所需的頻段上。但是，沒有加裝相應(yīng)寬帶外部I/Q輸入功能模塊的E8267D只能輸入單邊200M帶寬的模擬信號。所以，如果需要產(chǎn)生超寬帶信號，可以購買寬帶外部I/Q輸入模塊或者利用在E8267D輸出端加裝倍頻器的方法產(chǎn)生。

3信號模擬

基帶信號的模擬是通過Matlab軟件編寫所需信號程序，并生成安捷倫軟件所需的bin文件。這種方法簡單直觀，只需列出所需基帶信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并用任意波形發(fā)生器的采樣率對其進(jìn)行采樣即可。下面以線性調(diào)頻信號為例，分別介紹模擬帶寬250MHz和1GHz信號的方法。本文采用的通用儀表具體型號為N8242A 625MS/s和E8267D OPT H44。在模擬信號前應(yīng)在計算機中安裝安捷倫公司的Control Utility軟件。

3.1Ka波段帶寬250MHz的線性調(diào)頻信號

用Matlab編寫帶寬250MHz的線性調(diào)頻信號，并利用安捷倫公司自帶的函數(shù)生成相應(yīng)bin文件，程序為

clear all; close all; clc;

fs = 625e6;%N8242A的采樣頻率

T = 500e-6;%調(diào)頻時長

B = 250e6;%帶寬

t = 0:1/fs:(T-1/fs);

u = -B/T;%調(diào)頻斜率

ft2 = exp(1i*2*pi*B/2*t + 1i*pi*u*(t.^2));%信號形式

ft2 = ft2(1:312496);%信號點數(shù)為8的整數(shù)倍

ft2i = real(ft2);%信號i路

ft2q = imag(ft2);%信號q路

agt_awg_savebin(′B250_2i′,ft2i);% 產(chǎn)生i路信號bin文件

agt_awg_savebin(′B250_2q′,ft2q);% 產(chǎn)生q路信號bin文件

上述程序中函數(shù)agt_awg_savebin(*)為Control Utility自帶的Matlab函數(shù)，它將所寫信號轉(zhuǎn)換為*.bin文件，并要求信號點數(shù)必須為8的整數(shù)倍。程序中信號取前312496個點，N8242A最多支持8388608個采樣點。程序中信號頻率是由B/2調(diào)制到-B/2，這是因為E8267D的單邊帶寬只有200M，如果從信號頻率由B=250MHz調(diào)制到0，會導(dǎo)致200M以上的頻率被濾波器濾掉。程序運行后，會在對應(yīng)的文件夾中生成B250_2i.bin和B250_2q.bin兩個文件。

圖1　Control Utility軟件連接界面

用網(wǎng)線連接計算機與N8242A，設(shè)置相應(yīng)IP地址，打開Control Utility軟件，如圖1所示。

圖2　Control Utility軟件設(shè)置界面

點擊“OK”按鈕，進(jìn)入Control Utility界面，在Channel1 Waveform和Channel2 Waveform中分別選擇B250_2i.bin和B250_2q.bin文件。并在右側(cè)Output對話框中通過開關(guān)選擇導(dǎo)通電路。將兩路全部導(dǎo)通后，在Play Mode中選擇Continuous，如圖2所示。點擊“Play”按鈕后就可以產(chǎn)生基帶調(diào)頻信號。

在Control Utility軟件中，Clock選項可以選擇參考時鐘，Triggers選項可以設(shè)置各類觸發(fā)。如果需要設(shè)置上升沿觸發(fā)，可以將觸發(fā)信號通過電纜連接至Triggers輸入口，并在Control Utility軟件中右側(cè)Triggers選項內(nèi)Start中選擇相應(yīng)輸入口，根據(jù)需要在Play Mode中選擇輸出連續(xù)波(選擇Continuous)，或者每次觸發(fā)輸出n次波形(選擇Burst，并在Count選項中選擇輸出次數(shù)n)。在Triggers選項內(nèi)通過選擇DELAY框內(nèi)時延大小(單位為ns)還可以調(diào)整觸發(fā)到輸出信號的時延。如圖3所示。

圖3　Control Utility軟件設(shè)置界面

將N8242A面板上CH1 OUT+和CH2 OUT+輸出端通過電纜連接至E8267D面板上INPUT的I端和Q端上。并在E8267D面板上“I/Q”和“Mux”選單內(nèi)設(shè)置好相應(yīng)輸出模式，同時將Mod選擇為on。選擇輸出信號頻率和功率，將Rf選擇為on后即可輸出所需信號。本文選擇中心頻率為35GHz的載波信號，將N8242A產(chǎn)生的基帶信號通過E8267D加載到35GHz上，輸出后連接頻譜分析儀，如圖4所示。

圖4　Center 35GHz, Span 500MHz

圖4中可以看出，頻譜分析儀中心頻率為35GHz，Span為500MHz，所生成的信號帶寬是250MHz，掃頻范圍為35G-125MHz～35G+125MHz。

3.2Ka波段帶寬1GHz的線性調(diào)頻信號

帶寬1GHz的線性調(diào)頻信號已經(jīng)超過E8267D的帶寬限制，不能直接通過基帶信號混頻得到。利用倍頻器，可以將較低頻段較小帶寬的信號倍頻到所需的頻帶和帶寬。那么通過產(chǎn)生一個較低頻段帶寬為250MHz的信號，經(jīng)過四倍頻就可以得到Ka波段帶寬為1GHz的線性調(diào)頻信號。

利用上節(jié)中的方法產(chǎn)生一個中心頻率為8.75GHz帶寬為250MHz的線性調(diào)頻信號，E8267D的輸出信號連接到頻譜分析儀上，如圖5所示。

圖5　Center 8.75GHz, Span 500MHz

將E8267D輸出的信號經(jīng)過四倍頻器，就可以輸出一個中心頻率為35GHz帶寬為1GHz的線性調(diào)頻信號，連接得到頻譜分析儀上，如圖6所示。

圖6　Center 35GHz, Span 2GHz

由于倍頻器為有源器件，E8267D輸出的信號應(yīng)滿足倍頻器輸入信號最低功率的要求，而且要注意經(jīng)過倍頻器輸出的信號功率不是E8267D面板上顯示的功率。

3.3信號產(chǎn)生步驟總結(jié)

利用通用儀表產(chǎn)生大帶寬線性調(diào)頻信號的步驟可以總結(jié)如下:

1) 通過網(wǎng)線連接計算機和任意波形發(fā)生器N8242A，通過電纜連接N8242A和E8267D；

2) 用Matlab軟件編寫點數(shù)為8的整數(shù)倍的調(diào)頻信號，并利用安捷倫自帶函數(shù)生成相應(yīng)信號I/Q兩路*.bin文件；

3) 在Control Utility軟件中選擇I/Q兩路*.bin文件，并設(shè)置相應(yīng)觸發(fā)和時鐘；

4) 在E8267D中設(shè)置所需載波信號的頻率和功率，設(shè)置I/Q模式；

5) 點擊Control Utility軟件的“Play”按鈕，打開E8267D中的Mod和Rf開關(guān)；

6) 利用倍頻器時，應(yīng)根據(jù)所需信號頻段和帶寬產(chǎn)生倍頻前的信號。

4實驗室試驗方法

線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)是一種LPI雷達(dá)，其具有峰值功率低、時寬帶寬積大、測距測速精度高、無近距離盲區(qū)、體積小易實現(xiàn)等優(yōu)點[7～8]。以某超近程連續(xù)波雷達(dá)[9～10]試驗為例，介紹其利用通用儀表在實驗室中的具體試驗方法。在實驗室中，雷達(dá)與通用儀表的架設(shè)關(guān)系如圖7所示。

圖7　雷達(dá)與通用儀表架設(shè)

雷達(dá)設(shè)備與通用儀表在實驗室中相隔一定距離，通用儀表與天線利用射頻電纜相連接。從雷達(dá)輸出的同步參考信號10MHz用BNC插頭的電纜連接至E8267D的“10MHz IN”插座，從雷達(dá)輸出的觸發(fā)信號連接至N8242A的“TRIGGER”插座。并將E8267D的“10MHz OUT”連接至N8242A的“AUX 10MHz REF IN”。

試驗開始時，雷達(dá)開機，將用第3節(jié)方法寫好的測試信號由儀表產(chǎn)生。通過天線將信號向雷達(dá)輻射。這樣通過控制儀表產(chǎn)生不同頻率、幅度、延時，可以模擬各種狀態(tài)下的目標(biāo)回波，以對雷達(dá)性能進(jìn)行測試。試驗中應(yīng)注意以下幾點:

1) 基帶信號只需寫一個周期，并在周期后部將信號空置若干零點。因為每周期的信號均由觸發(fā)信號觸發(fā)。當(dāng)觸發(fā)信號周期與基帶信號周期完全相同時，有時會使相鄰的周期無法被觸發(fā)，所以應(yīng)該使基帶信號周期略小于觸發(fā)信號周期(基帶信號尾部置零)，這樣就可以使基帶信號每周期都觸發(fā)上。

2) 同步參考信號10MHz連接好時，E8267D的顯示板上會顯示“EXT REF”，試驗時應(yīng)注意此標(biāo)識是否存在。因為如果10MHz信號沒有連接好，會導(dǎo)致E8267D輸出的信號頻率與雷達(dá)的信號頻率有略微的差異，影響試驗的準(zhǔn)確性。

3) 通用儀表由天線輸出信號，應(yīng)保證此天線的極化方式與被測雷達(dá)天線的極化方式相同。

5結(jié)語

本文通過使用N8242A和E8267D產(chǎn)生帶寬為250MHz和1GHz線性調(diào)頻信號的兩個具體實例，給出了通用儀表產(chǎn)生超寬帶線性調(diào)頻雷達(dá)信號的具體步驟和方法。通過Matlab編寫基帶信號，可以產(chǎn)生不局限于線性調(diào)頻的各類LPI信號。這種方法擴展性能好、通用性強，實現(xiàn)時間短且成本低。并在實驗室試驗方法中給出通用儀表在雷達(dá)試驗中的具體使用方法，并結(jié)合作者在試驗時遇到的問題給出了幾點注意事項。希望可以為今后的雷達(dá)試驗提供一些參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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Application of Common Instruments in Radar Experiment

MA Ke

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an710100)

AbstractThe application method of using arbitrary waveform generator N8242A and vector signal in radar test is introduced. Firstly, I path and Q path baseband signals are generated by N8242A, then E8267D is utilized to modulate the frequency in what you want. It can generate an ultra-wide band signal by adding frequency doubles. Taking the linear frequency modulation signal as an example, a method and detail steps for generating 250MHz and 1GHz bandwidth LFM signals in Ka band are provided. At the end of the paper, the laboratory method of common instrument is introduced, and some points for attention are explained.

Key Wordsarbitrary waveform generator, vector signal generator, radar experiment

* 收稿日期：2015年11月10日,修回日期：2015年12月20日

基金項目：武器裝備預(yù)先研究基金資助項目(40405060201)資助。

作者簡介：馬可，男，碩士，工程師,研究方向：雷達(dá)總體設(shè)計。

中圖分類號TN95

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.035