一種便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王陰雨

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京，210039）

0 引言

在當(dāng)前數(shù)字陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，頻率源產(chǎn)生時鐘信號和本振信號，經(jīng)由各開關(guān)組件、功分網(wǎng)絡(luò)送至雷控、定時和天線陣面等系統(tǒng)[1]，組件或電纜的故障會造成信號無法正常傳輸，而對各個節(jié)點(diǎn)射頻信號功率的檢測是定位、排除故障的常規(guī)手段。在雷達(dá)陣面系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)過程中，一般會配置頻譜儀作為射頻信號檢測用，但因信號測試點(diǎn)一般位于雷達(dá)天線車上較高位置，空間受限，操作既不方便也不安全，并且相對于頻譜儀昂貴的價格，長期僅作為雷達(dá)陣面調(diào)試或外場維護(hù)時的檢測儀表，利用率和性價比都比較低，故針對雷達(dá)陣面射頻信號檢測需求，設(shè)計一款具備便攜性、易用性、經(jīng)濟(jì)性的射頻信號檢測模塊。

1 總體設(shè)計

當(dāng)前雷達(dá)陣面調(diào)試維護(hù)時涉及的射頻信號主要是時鐘信號和本振信號[2]。時鐘信號頻率一般在100MHz 左右；本振信號的頻率范圍則較寬，可分為一本振、二本振，覆蓋了P、L、S 等頻段。信號的功率在各個節(jié)點(diǎn)有所不同：時鐘信號從頻率源輸出時功率一般要求大于10dBm，經(jīng)過射頻電纜傳輸至雷控和定時系統(tǒng)時大概為5dBm，傳輸給陣面時鐘放大功分器時大概在0dBm。本振信號至各開關(guān)組合和功分網(wǎng)絡(luò)時功率一般要求在5～10dBm。信號形式方面，時鐘信號為連續(xù)波，本振信號可分為連續(xù)波形式的工作本振和脈沖調(diào)制形式的激勵本振。綜合雷達(dá)陣面射頻信號在頻率、功率和信號形式方面的要求，便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊的主要設(shè)計指標(biāo)參數(shù)如下：

（1）頻率檢測范圍：100MHz～6GHz

（2）功率檢測范圍：-10dBm～10dBm

（3）脈寬檢測范圍：10us～CW

（4）輸入阻抗：50Ω

（5）射頻接口：SMA

（6）電源接口：USB

便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊采用USB 接口+5V供電，可使用移動電源供電，既保證了便攜性，也解決了天線車上使用交流電不便的困難，由HE112 檢波器實(shí)現(xiàn)射頻功率檢波到TTL 電平輸出，通過555 集成定時器、CD4017計數(shù)器、CD4066 開關(guān)的組合電路實(shí)現(xiàn)檢測門限自動調(diào)節(jié)功能，根據(jù)檢測到的功率強(qiáng)度自動點(diǎn)亮對應(yīng)的LED 發(fā)光二極管，讀出功率值。工作流程圖如圖1 所示。

圖1 工作流程圖

2 電路設(shè)計

便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊由射頻檢波電路、檢測門限自動調(diào)節(jié)電路、信號輸出指示、電源接口四部分組成。電路原理圖如圖2 所示。

■2.1 射頻檢波電路

射頻檢波電路選用中國電科第十三研究所生產(chǎn)的HE112 檢波器（U1），主要利用二極管檢波器和寬帶匹配技術(shù)的原理，將微波信號變?yōu)榈皖l信號，再與設(shè)定的門限基準(zhǔn)電平進(jìn)行比較判定后，轉(zhuǎn)換為TTL 電平輸出。HE112將射頻微波電路和數(shù)字電路技術(shù)結(jié)合在一起，在很小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程[3]。HE112檢波器內(nèi)部具有溫度補(bǔ)償失真小，+5V@5mA 的靜態(tài)低功耗，可檢測脈沖寬度從0.2μs 到連續(xù)波的射頻信號，檢測頻率從100MHz～6GHz 的寬頻帶信號，輸入功率檢測范圍為-10dBm～15dBm，性能參數(shù)可以滿足當(dāng)前雷達(dá)陣面調(diào)試維護(hù)時對P、L、S 頻段各時鐘、本振信號的檢測要求。檢波電路工作原理見圖3。

圖3 檢波電路工作原理圖

HE112 檢波器為SP-3 全密封金屬封裝，1 腳接門限調(diào)節(jié)電阻，2 腳為射頻信號輸入端，3腳接地，4腳為空，5 腳為TTL 電平輸出端，6 腳接+5V 供電。管腳定義見圖4。

圖4 HE112 型檢波器管腳定義

HE112 檢波器通過調(diào)節(jié)Rth 電阻值實(shí)施比較門限控制，Rth 調(diào)節(jié)電阻阻值范圍在90Ω～5kΩ之間。調(diào)節(jié)電阻與輸入功率關(guān)系曲線見圖5。

圖5 調(diào)節(jié)電阻與輸入功率關(guān)系曲線

HE112 檢波器輸入功率與頻率關(guān)系曲線如圖6 所示，由圖可知在100MHz～6GHz 的大帶寬范圍內(nèi)，高中低頻點(diǎn)間的起伏控制在2dBm 以內(nèi)，具有較好的一致性。

圖6 輸入功率與頻率關(guān)系曲線

■2.2 檢測門限自動調(diào)節(jié)電路

檢測門限自動調(diào)節(jié)電路由555 定時器、CD4017 計數(shù)器和CD4066 開關(guān)構(gòu)成。

在HE112 檢波器的1腳連接了2 個CD4066 開關(guān)（U4、U5），每 個CD4066開關(guān)內(nèi)部由4 組相互獨(dú)立的低阻抗模擬開關(guān)組成，2 個CD4066 構(gòu)成8 組開關(guān)連接了8 個不同阻值的調(diào)節(jié)電阻（R1～R8），每組開關(guān)有一個控制信號連接CD4017計數(shù)器（U3）的Q0～Q7輸出，控制信號為高電平時，該路開關(guān)呈導(dǎo)通狀態(tài)[4]。CD4066 集成電路邏輯如圖7 所示。

圖7 CD4066 開關(guān)邏輯圖

集成電路NE555（U2）是一種中規(guī)模集成電路，它將模擬功能與邏輯功能結(jié)合在同一個芯片上，通過設(shè)置電阻R18、R19 和電容C1 的大小，就能方便地構(gòu)成非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路，產(chǎn)生所需頻率的脈沖信號[5]。使用Multisim軟件對NE555 定時器脈沖信號輸出進(jìn)行仿真，仿真波形見圖8。

圖8 NE555 定時器脈沖信號輸出仿真

集成電路CD4017（U3）是5 位Johnson 計數(shù)器，具有10 個譯碼輸出端，當(dāng)CD4017 的14 腳時鐘輸入端收到NE555 計時器送來的脈沖信號時，CD4017 計數(shù)器的10 個輸出端依次輸出高電平[6]。將CD4017 的9 腳Q8 輸出端與15 腳復(fù)位端相連，即使用Q0～Q7 前8 路輸出的高電平作為CD4066 開關(guān)的控制信號，逐一連通8 個門限調(diào)節(jié)電阻。只有當(dāng)13 腳禁止端收到HE112 檢波器輸出的高電平時CD4017 計數(shù)器才停止計數(shù)，否則CD4017 計數(shù)器一直循環(huán)計數(shù)，實(shí)現(xiàn)檢測門限自動調(diào)節(jié)功能。CD4017 計數(shù)器邏輯圖見圖9。

圖9 CD4017 計數(shù)器邏輯圖

■2.3 信號輸出指示電路

如圖10 所示，在CD4017 計數(shù)器Q0～Q7 輸出端各連接一個LED 發(fā)光二極管（LED1～LED8），每個發(fā)光二極管對應(yīng)一個功率值，分別為-10dBm、-5dBm、0dBm、2dBm、4dBm、6dBm、8dBm、10dBm。當(dāng)計數(shù)器依次打通CD4066 開關(guān)時，LED1～LED8 也被依次點(diǎn)亮。當(dāng)HE112 檢波器檢測到射頻信號，5 腳輸出高電平至CD4017 計數(shù)器13 腳禁止端，CD4017 計數(shù)器停止計數(shù)，LED1～LED8 其中的一個保持常亮，與它連接的就是被打通的開關(guān)通道，對照功率指示刻度尺，即可讀出功率值。

圖10 外觀圖

■2.4 電源接口

便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊所需的+5V 直流電源由外部供電，接口為USB 口，可外接手機(jī)充電寶等移動電源，方便分離便于攜帶。LED9 作為電源指示燈在開關(guān)J1導(dǎo)通后被點(diǎn)亮。

3 測試驗證

使用信號源在多個頻點(diǎn)輸出固定功率和形式的信號給射頻信號檢測模塊，對比測量結(jié)果與設(shè)定值之間的誤差，分別進(jìn)行射頻連續(xù)波信號和射頻脈沖信號測試，脈沖寬度取1μs 和1ms 兩種形式，測試數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 連續(xù)波信號測試

從表1、表2 數(shù)據(jù)可以看到，便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊的功率誤差值均在±2dB 以內(nèi)，并且對連續(xù)波和脈沖信號均能有效地檢測。

表2 脈沖信號測試

4 結(jié)論

便攜式陣面射頻信號自動檢測模塊制作成本低，使用移動電源供電，成品長寬高尺寸控制在7cm×5cm×3cm 內(nèi)，體積小巧便于攜帶，尤其適合外場雷達(dá)陣面調(diào)試維護(hù)時使用；具有大范圍頻率帶寬和連續(xù)波、脈沖信號檢測功能，可以對P、L、S 波段雷達(dá)陣面涉及的各種時鐘和本振等射頻信號進(jìn)行快速檢測，提高排故效率，具有工程實(shí)用性。通過配合放大器和衰減器使用，也可以作為特殊作業(yè)環(huán)境時射頻信號功率檢測的一種補(bǔ)充設(shè)備。