CN108459203B - 一种超宽带扫频脉冲功率检波装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超宽带扫频脉冲功率检波装置及方法，对要测量的脉冲信号的脉内带宽没有要求，并且能够实现L波段至X波段超宽带大功率范围的雷达信号脉冲功率测量。本发明提供了采用一个本振源实现对C波段信号和X波段信号的变频的方案，能够节省电路器件、降低成本，并且实现对本振信号频率简便、统一的控制；另外采用主控单元按被测信号中心频率控制本振信号频率，在本振信号频率窄范围内就能实现将C波段信号或X波段信号混频至L波段或S波段，降低了对本振源的要求，能够选择的本振源型号更多，进一步降低了器件成本。

Description

一种超宽带扫频脉冲功率检波装置及方法

技术领域

本发明涉及信号检波测量技术领域，具体是涉及一种超宽带扫频脉冲功率检波装置及方法。

背景技术

随着雷达技术的发展，雷达信号已经由脉冲调制发展到脉内调制，调制带宽也提升至千兆赫兹量级。脉内调制通常为线性调频，针对频率范围覆盖L、S、C、X波段，宽带达千兆赫兹量级的线性调频雷达脉冲信号，目前的测试仪器有脉冲功率计和频谱仪等。脉冲功率计利用微波信号热效应转换成电信号来进行脉冲功率测量，脉冲功率计包括终端式功率计和通过式功率计两类，其中终端式功率计测量功率范围有限，通过式功率计受限于定向耦合器，很难做到宽带测量；频谱仪测量功率范围非常广，但是只能测量脉内带宽小于其滤波器带宽的脉冲信号，不能实现脉内带宽较宽的信号的脉冲功率测量。

采用传统的扫频脉冲功率检波装置进行雷达信号脉冲功率测量，被测信号的脉内带宽不受滤波器限制，对要测量的脉冲信号的脉内带宽没有要求。但是现有的扫频脉冲功率检波装置均须包含对数检波器，由于对数检波器的限制，现有的扫频脉冲功率检波装置只能对L波段和S波段信号进行检波测量，不能对C波段和X波段的信号进行检波测量，因此，无法实现L波段至X波段超宽带大功率范围的雷达信号脉冲功率测量。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种超宽带扫频脉冲功率检波装置及方法，对要测量的脉冲信号的脉内带宽没有要求，并且能够实现L波段至X波段超宽带大功率范围的雷达信号脉冲功率测量。

为实现以上目的，本发明提供了一种超宽带扫频脉冲功率检波装置，包括变频通道、直通通道、检波电路以及主控单元；

所述主控单元根据被测信号的中心频率，选择直通通道或变频通道对被测信号进行接收；

所述直通通道用于接收L波段或S波段的被测信号，并将信号直接输出到检波电路；

所述变频通道用于接收C波段或X波段的被测信号，并将C波段信号或X波段信号混频至L波段或S波段后输出到检波电路；

所述检波电路用于对输入的L波段信号或S波段信号进行脉冲功率测量。

其中，所述变频通道包括C波段变频子通道和X波段变频子通道，分别用于接收C波段的被测信号并混频至L波段或S波段，接收X波段信号的被测信号并混频至L波段或S波段；所述变频子通道包括本波段的本振源和混频器；所述本振源发出对应波段频率的本振信号，所述混频器将所属子通道接收到的被测信号与本振信号进行混频。

较佳地，所述变频通道包括一个本振源、一个功分器、C波段混频器和X波段混频器；

所述主控单元根据当前被测信号的中心频率，选择C波段混频器或X波段混频器对被测信号进行接收，同时控制本振源发出相应频率的本振信号:对于C波段信号，本振信号频率高于被测信号频率，对于X波段信号，本振信号频率低于被测信号的频率；

所述功分器将本振源发出的本振信号分成两路，分别输出到C波段混频器和X波段混频器；C波段混频器接收C波段的被测信号与本振信号，并将被测信号混频至L波段或S波段，将混频后的信号发送至检波电路；X波段混频器接收X波段的被测信号与本振信号，并将被测信号混频至L波段或S波段，将混频后的信号发送至检波电路。

进一步地，所述变频通道还包括分别对应C波段和X波段被测信号的滤波器以及增益补偿电路；所述滤波器对混频后的信号进行滤波，所述增益补偿电路对滤波后的信号进行功率放大后再输出到检波电路。

其中，所述检波电路包括放大器、对数检波器和ADC；输入到检波电路的信号依次经过放大器、对数检波器和ADC；

其中，放大器用于保证被测信号的功率在所述对数检波器的检测范围内；对数检波器的输出电压经过ADC转换为数字信号，通过数字信号计算得到的功率值即为被测信号的脉冲功率测量值。

其中，所述主控单元包括FPGA和存储器；FPGA接收ADC输出的数字信号，并根据被测信号的脉宽对ADC的采样时钟进行调节；所述存储器内部保存有全频段的校准数据，FPGA基于存储器内部对应被测信号频点的校准数据，对接收到的数字信号进行实时校准，FPGA将经校准的数字信号计算得到的功率值作为被测信号的脉冲功率测量值。

进一步地，所述校准数据是考虑温度影响的校准数据，所述主控单元还包括温度传感器，FPGA根据温度传感器提供的温度值以及存储器内部对应被测信号频点的校准数据，对ADC的采样值进行实时校准。

其中，所述装置还包括上位机，被测信号的脉冲功率测量值通过上位机进行显示。

本发明还提供了一种超宽带扫频脉冲功率检波方法，采用上述超宽带扫频脉冲功率检波装置进行检波测量，包括如下步骤：

S1，选择接收被测信号的通道：

当被测信号为L波段信号或S波段信号时，主控单元控制选择直通通道对被测信号进行接收；当被测信号为C波段信号或X波段信号时，主控单元控制选择变频通道对被测信号进行接收；

S2，通过被测信号的通道将信号输出到检波电路：

所述直通通道将信号直接输出到检波电路；所述变频通道将C波段信号或X波段信号混频至L波段或S波段后输出到检波电路；

S3，所述检波电路对收到的L波段信号或S波段信号进行脉冲功率测量。

有益效果：

本发明提供的超宽带扫频脉冲功率检波装置及方法，采用检波电路实现雷达信号脉冲功率测量，对要测量的脉冲信号的脉内带宽没有要求，通过混频将C波段和X波段进行变频至L波段信号或S波段，对处于不同波段信号分别进行处理，实现了超宽带大功率范围的雷达信号脉冲功率测量。

本发明通过分别对应C波段和X波段波段的本振源和混频器将C波段和X波段信号混频至L波段信号或S波段，变频速度快、精度高，采用常规检波电路实现对C波段和X波段信号的脉冲功率测量。

本发明采用一个本振源实现对C波段信号和X波段信号的变频，能够节省电路器件、降低成本，并且实现对本振信号频率简便、统一的控制；另外采用主控单元按被测信号中心频率控制本振信号频率，在本振信号频率窄范围内就能实现将C波段信号或X波段信号混频至L波段或S波段，降低了对本振源的要求，能够选择的本振源型号更多，进一步降低了器件成本。

本发明对于不同被测信号的脉冲宽度和脉冲周期，针对检波电路的输出结果，主控单元选择对应的采样速率和数据缓存深度，在保证采样精度的条件下提高检波测量速度。

本发明的主控单元基于存储器对检波电路的输出结果进行实时校准，实现对被测信号脉冲功率的精确测量。

附图说明

图1为本发明装置总体结构示意图；

图2为本发明的变频通道结构示意图；

图3为本发明的检波电路及主控单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种超宽带扫频脉冲功率检波装置，能够实现L、S、C、X波段的雷达信号脉冲功率测试，采用直通通道对L波段和S波段信号进行检波测量，采用变频通道对C波段和X波段信号进行检波测量，C波段信号或X波段信号在变频通道中通过本振信号混频至L波段或S波段，实现超宽带大功率范围的雷达信号脉冲功率测量。

本发明装置包括变频通道、直通通道、检波电路以及主控单元。本发明是针对已知被测信号相关信息基础上的功率检波测量，已知被测信号相关信息包括被测信号的中心频率、带宽、脉冲宽度和脉冲周期等基本信息。对于不同被测信号的中心频率，主控单元选择相应的通道进行接收，如果是变频通道则需要配置相应的本振输出频率；对于不同被测信号的脉冲宽度和脉冲周期，针对检波电路的输出结果，主控单元选择对应的采样速率和数据缓存深度，在保证采样精度的条件下提高检波测量速度。

本发明的检波装置中包括直通通道和变频通道两路通道，直通通道接收L波段和S波段信号，变频通道接收C波段和X波段信号并采用混频方式对C波段或X波段信号进行变频。直通通道和变频通道两路通道相互并联，两个通道选择需要采用一组开关实现，一组开关包括两个单刀双掷开关，两个开关分别位于通道的输入端和输出端。开关的闭合方向由主控单元来控制，开关的闭合方向一致并且需要同时进行。

所述变频通道可以包括C波段变频子通道和X波段变频子通道，分别用于接收C波段的被测信号并混频至L波段或S波段，接收X波段信号的被测信号并混频至L波段或S波段；所述变频子通道包括本波段的本振源和混频器；所述本振源发出对应波段频率的本振信号，所述混频器将所属子通道接收到的信号与本振信号进行混频。本振信号与C波段信号或X波段信号在对应的混频器中进行混频。本发明通过分别对应C波段和X波段的本振源和混频器将C波段和X波段信号混频至L波段信号或S波段，变频速度快、精度高，采用常规检波电路实现对C波段和X波段信号的脉冲功率测量。

所述变频通道也可以包括一个本振源、一个功分器、C波段混频器和X波段混频器；所述本振源根据当前时刻的接收信号发出相应频率的本振信号；功分器将本振源发出的本振信号分成两路分别到C波段混频器和X波段混频器；C波段混频器接收C波段的被测信号与本振信号，并将被测信号混频至L波段或S波段，X波段混频器接收X波段的被测信号与本振信号，并将被测信号混频至L波段或S波段；其中，对于C波段信号，本振信号频率高于被测信号频率，对于X波段信号，本振信号频率低于被测信号的频率。即C波段和X波段信号通过本振源发出的本振信号混频至L波段或S波段，可以使用同一本振源分别对C波段信号和X波段信号进行混频，本振信号可完全复用。本振源发出的本振信号经由功分器分成两路到C波段信号和X波段信号各自的混频器中，通过开关选择相应的混频通道后，本振信号与被测信号在对应的混频器中进行混频，然后经过相应的滤波和功率放大后输出。变频通道的内部仅包括一个本振源时，主控单元向本振源发送频率控制字来实现本振信号频率的切换，对于不同的被测信号，选择不同的本振信号频率。对于C波段信号，本振信号频率高于被测信号频率，对于X波段信号，本振信号频率低于被测信号的频率。采用一个本振源实现对C波段信号和X波段信号的变频，能够节省电路器件、降低成本，并且实现对本振信号频率简便、统一的控制；另外采用主控单元将本振信号频率控制为：对于C波段信号，本振信号频率高于被测信号频率，对于X波段信号，本振信号频率低于被测信号的频率，实现了在本振信号频率窄范围内就能将C波段信号或X波段信号混频至L波段或S波段，对本振源的要求更低，能够选择的本振源型号更多，进一步降低了器件成本。

所述变频通道还分别对应C波段和X波段被测信号的滤波器以及增益补偿电路；所述滤波器对混频后的信号进行滤波，所述增益补偿电路对滤波后的信号进行功率放大后再输出到检波电路：变频通道中包括对C波段信号和X波段信号各自的混频通道，混频通道包括混频器、滤波器和增益补偿电路。两个混频通道的选择采用一组开关实现，一组开关包括两个单刀双掷开关，两个开关分别位于混频通道的输入端和输出端。开关的闭合方向由主控单元来控制，开关的闭合方向一致并且需要同时进行。通过开关选择相应的混频通道后，本振信号与被测信号在对应的混频器中进行混频，混频输出的频点为输入信号和本振信号的频率差，混频之后经过对应的微带滤波器完成滤波，并通过对应的增益补偿电路进行功率放大后再输出。采用对应C波段和X波段被测信号的滤波器以及增益补偿电路对混频后的信号进行进一步处理，在这过程中选用对应被测信号的滤波器，对相应的抑制点进行滤波，减小了对滤波器的抑制点的要求，采用两个低成本的滤波器就可以实现，降低了器件的要求。

直通通道与现有的接收L波段和S波段的通道相同。直通通道和变频通道的输出信号采用同一个检波电路将功率转换为电压，检波电路通过ADC(模拟数字转换器)进行采样并由主控单元计算出功率值。两个通道采用同一个检波电路进行检波，减少了器件的使用，并且不会引入由于检波电路不同导致的检波测量偏差。

在本实施例中，检波电路包括放大器、对数检波器和ADC(模拟数字转换器)，主控单元包括FPGA(现场可编程门阵列)、存储器、温度传感器和上位机；主控单元根据被测信号的中心频率选择合适的直通通道或混频通道、本振信号频率，根据被测信号的脉冲宽度和脉冲周期，选择对应的ADC采样速率。

直通通道和变频通道的输出信号依次经过放大器、对数检波器、ADC、FPGA和上位机；其中放大器可对全频段的信号功率进行调节，以保证被测信号的功率在对数检波器的检波测量范围内；对数检波器的输出电压经过ADC转换为数字信号，ADC再将数字信号的采样值发送给FPGA。其中，ADC的采样时钟由FPGA提供，即采样速率由FPGA来控制。FPGA根据被测信号的脉宽对采样时钟进行灵活调节，在保证功率测量精度的前提下设置合适的采样率，获得合适数量的采样点。

存储器内部保存了全频段的校准数据，根据需求将考虑相应的因素的校准数据存入存储器，本实施例中的校准数据是考虑温度影响的校准数据。存储器将数据输入到FPGA，温度传感器也将数据输入到FPGA，FPGA根据温度传感器提供的温度值以及存储器内部对应被测信号频点的校准数据，对ADC的采样值进行实时校准，FPGA将经校准后的功率值上传至上位机显示，实现对被测信号脉冲功率的精确测量。

本发明的超宽带扫频脉冲功率检波装置总体结构如图1所示，被测信号RF1为C波段信号或X波段信号，被测信号RF2为L波段信号或S波段信号。根据被测信号的中心频率通过开关A和开关B进行通道选择，被测信号RF1经过变频通道实现下变频，被测信号RF2经过直通通道的增益调节输出至开关B。信号RF3为变频通道的输出信号，信号RF4为直通通道的输出信号。信号RF5为直通通道或变频通道的输出信号。经过检波电路将脉冲信号转换为功率采样值，输出给主控单元，经主控单元对功率采样值进行校准后得到最终结果。主控单元提供开关A的控制信号C1，开关B的控制信号C2，C1和C2同时发出，实现直通通道和变频通道的通道选择。此外，主控单元也提供检波电路的控制信号C3，变频通道的控制信号C4、C5和C6，其中C3包括ADC的采样时钟和串行通信总线，C4为本振源的串行通信总线，C5和C6为变频通道开关的控制信号。

图2是本发明变频通道结构示意图，变频通道的前级开关C和后级开关D由主控单元控制信号C5和C6决定，C5和C6同时发出开关的控制信号选择通道。RFC信号为C波段信号，RFX信号为X波段信号，分别经过两个混频器与本振信号进行混频。本振信号频率由主控单元提供的控制信号C4决定，C4主要包括主控单元通过串行通信总线发送的频率控制字。本振源发出的本振信号经过一个功分器分为两路，分别与RFC或RFX进行混频，混频输出中心频率为2GHz，带宽1GHz。RFC信号经混频后经过滤波器1完成滤波，RFX信号经混频后经过滤波器2完成滤波，滤波器1和滤波器2为1GHz带宽的带通滤波器。滤波器1对RFC信号进行滤波，频率抑制点为f_RFC+4GHz；滤波器2对RFX信号进行滤波，频率抑制点为f_RFX-4GHz。对于RFC信号，本振频率f_LO＝f_RFC+2GHz，其中4GHz＜f_RFC＜8GHz。对于RFX信号，本振频率f_LO＝f_RFX-2GHz，其中8GHz＜f_RFX＜12GHz。因此，本振频率f_LO的范围是6GHz＜f_Lo＜10GHz。经过混频和滤波后再经过相应的增益补偿电路进行功率调节。

图3是本发明的检波电路及主控单元结构示意图。信号RF5经过放大器调节功率，再由对数检波器进行检波，将脉冲信号转变为电压值。ADC采样检波输出电压，发送给FPGA进行处理。FPGA根据输入被测信号频率和温度传感器获取的温度值查询校准表，从外部存储器读取保存的校准数据，对ADC的采样值进行校准。C3为FPGA发送给ADC的串行通信总线和时钟信号。上位机根据输入脉冲的脉宽计算出合适的ADC采样速率(不高于ADC的最高采样时钟)，即采样时钟频率控制字。上位机将采样时钟频率控制字发送给FPGA，FPGA根据频率控制字调节采样时钟。此外，FPGA通过串行通信总线调节ADC的测量范围、工作模式以及延时特性等。FPGA发送的其它控制信号包括C1、C2、C4、C5、C6等。FPGA将最终的功率测量值发送给上位机显示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超宽带扫频脉冲功率检波装置，对被测信号的脉冲功率进行测量，其特征在于，包括变频通道、直通通道、检波电路以及主控单元；

所述主控单元根据被测信号的中心频率，选择直通通道或变频通道对被测信号进行接收；

所述直通通道用于接收L波段或S波段的被测信号，并将信号直接输出到检波电路；

所述变频通道用于接收C波段或X波段的被测信号，并将C波段信号或X波段信号混频至L波段或S波段后输出到检波电路；

所述检波电路用于对输入的L波段信号或S波段信号进行脉冲功率测量。

2.如权利要求1所述的一种超宽带扫频脉冲功率检波装置，其特征在于，所述变频通道包括C波段变频子通道和X波段变频子通道，分别用于接收C波段的被测信号并混频至L波段或S波段，接收X波段信号的被测信号并混频至L波段或S波段；所述C波段变频子通道包括C波段本振源和C波段混频器；所述C波段本振源发出对应波段频率的本振信号，所述C波段混频器将所属子通道接收到的被测信号与本振信号进行混频；所述X波段变频子通道包括X波段本振源和X波段混频器；所述X波段本振源发出对应波段频率的本振信号，所述X波段混频器将所属子通道接收到的被测信号与本振信号进行混频。

3.如权利要求1所述的一种超宽带扫频脉冲功率检波装置，其特征在于，所述变频通道包括一个本振源、一个功分器、C波段混频器和X波段混频器；

所述主控单元根据当前被测信号的中心频率，选择C波段混频器或X波段混频器对被测信号进行接收，同时控制本振源发出相应频率的本振信号:对于C波段信号，本振信号频率高于被测信号频率，对于X波段信号，本振信号频率低于被测信号的频率；

所述功分器将本振源发出的本振信号分成两路，分别输出到C波段混频器和X波段混频器；C波段混频器接收C波段的被测信号与本振信号，并将被测信号混频至L波段或S波段，将混频后的信号发送至检波电路；X波段混频器接收X波段的被测信号与本振信号，并将被测信号混频至L波段或S波段，将混频后的信号发送至检波电路。

4.如权利要求2或3所述的一种超宽带扫频脉冲功率检波装置，其特征在于，所述变频通道还包括分别对应C波段和X波段被测信号的滤波器以及增益补偿电路；所述滤波器对混频后的信号进行滤波，所述增益补偿电路对滤波后的信号进行功率放大后再输出到检波电路。

5.如权利要求1所述的一种超宽带扫频脉冲功率检波装置，其特征在于，所述检波电路包括放大器、对数检波器和ADC；输入到检波电路的信号依次经过放大器、对数检波器和ADC；

其中，放大器用于保证被测信号的功率在所述对数检波器的检测范围内；对数检波器的输出电压经过ADC转换为数字信号，通过数字信号计算得到的功率值即为被测信号的脉冲功率测量值。

6.如权利要求5所述的一种超宽带扫频脉冲功率检波装置，其特征在于，所述主控单元包括FPGA和存储器；FPGA接收ADC输出的数字信号，并根据被测信号的脉宽对ADC的采样时钟进行调节；所述存储器内部保存有全频段的校准数据，FPGA基于存储器内部对应被测信号频点的校准数据，对接收到的数字信号进行实时校准，FPGA将经校准的数字信号计算得到的功率值作为被测信号的脉冲功率测量值。

7.如权利要求6所述的一种超宽带扫频脉冲功率检波装置，其特征在于，所述校准数据是考虑温度影响的校准数据，所述主控单元还包括温度传感器，FPGA根据温度传感器提供的温度值以及存储器内部对应被测信号频点的校准数据，对ADC的采样值进行实时校准。

8.如权利要求1所述的一种超宽带扫频脉冲功率检波装置，其特征在于，所述装置还包括上位机，被测信号的脉冲功率测量值通过上位机进行显示。

9.一种超宽带扫频脉冲功率检波方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任意一项所述的超宽带扫频脉冲功率检波装置进行检波测量，包括如下步骤：

S1，选择接收被测信号的通道：

当被测信号为L波段信号或S波段信号时，主控单元控制选择直通通道对被测信号进行接收；当被测信号为C波段信号或X波段信号时，主控单元控制选择变频通道对被测信号进行接收；

S2，通过被测信号的通道将信号输出到检波电路：

所述直通通道将信号直接输出到检波电路；所述变频通道将C波段信号或X波段信号混频至L波段或S波段后输出到检波电路；

S3，所述检波电路对收到的L波段信号或S波段信号进行脉冲功率测量。

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