CN117890865A - 一种手持式便携信号模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种手持式便携信号模拟器，射频综合处理模块包括厘米波射频通道和毫米波射频通道，厘米波射频通道和毫米波射频通道接收控制信号，基于控制信息通过开关和锁相环产生不同频段的信号，再通过分频或倍频得到厘米波射频信号和毫米波射频信号，最终分别经由厘米波天线和毫米波天线辐射出去；厘米波射频通道使用锁相环和压控振荡器的组合产生10GHz～18GHz信号，再由两级分频器进行分频得到1GHz～18GHz的厘米波射频信号；毫米波射频通道使用锁相环和压控振荡器的组合产生10GHz～20GHz信号，再由倍频器进行倍频得到18GHz～40GHz的毫米波射频信号。针对现有技术中难以实现雷达信号模拟器覆盖频段广、产生的信号功率大、动态高，技术性能好，同时兼顾设备体积小、重量轻，便于携带，提供一种手持式便携信号模拟器的实现方法。
Description
技术领域
本发明涉及微波模拟仿真技术，具体涉及一种手持式便携信号模拟器。
背景技术
现如今随着各国军事力量的不断进步以及各国对信息战的重视，战场环境中的雷达信号的复杂程度和多样化都显著提升。如果只采取外场试验，用真实的雷达来做测试，这会造成研发周期长，研发成本大的问题，并且还存在某些特殊外场试验并不能实现的情况。为了减少电子对抗设备的调试时间，削减调试成本，增加调试可行性，因此这就需要性能越来越好的雷达信号模拟器。随着计算机科学的高速发展，雷达信号模拟器的设计变得越来越简单。同时在现代数字信号处理日益成熟的基础上，雷达信号模拟器的性能也大大提高，能够模拟复杂的战场环境，满足军队测试电子设备的环境要求。
传统便携式雷达信号模拟器模拟波形简单、多采用点频或窄带频段，数据传输效率低，频段覆盖少，无法满足对多型号雷达及雷达导引头的信号模拟，因此我们针对客户实际应用背景以及需求，确定了系统架构，能够产生多频段、多样式、高逼真、高精度、稳定的雷达信号，且体积小、重量轻的手持式便携雷达信号模拟器。
发明内容
发明目的：本发明提供一种手持式便携信号模拟器；目的在于针对现有技术中难以实现雷达信号模拟器覆盖频段广、产生的信号功率大、动态高，技术性能好，同时兼顾设备体积小、重量轻，便于携带，提供一种手持式便携信号模拟器的实现方法。
技术方案：本发明的一种手持式便携信号模拟器，包括射频综合处理模块、厘米波天线和毫米波天线；射频综合处理模块包括厘米波射频通道和毫米波射频通道，厘米波射频通道和毫米波射频通道接收上位机发送的控制信号，然后基于控制信息通过开关和锁相环产生不同频段的信号，再通过分频或倍频得到厘米波射频信号和毫米波射频信号，最终分别经由厘米波天线和毫米波天线辐射出去；厘米波射频通道使用锁相环ADF41513和压控振荡器VCO IVO1020的组合产生10GHz～18GHz信号，再由两级分频器进行分频得到1GHz～18GHz的厘米波射频信号；毫米波射频通道使用锁相环ADF41513和压控振荡器VCO IVO1020的组合产生10GHz～20GHz信号，再由倍频器进行倍频得到18GHz～40GHz的毫米波射频信号。
这使得本发明频段可覆盖1GHz-40GHz，频率步进10KHz，频率精度达到0.1ppm。本发明的模拟器输出功率为-60～+10dBm的动态衰减，步长为1dB。正常工作时，默认输出连续波信号；上位机发送调制命令后，产品输出脉冲波，并可根据需要设置输出信号的脉冲宽度与脉冲周期；脉冲波由高速开关的切换得到，经过严格的筛选和计算，厘米波与毫米波输出通道都选择中科海高的HGC128；能达到40GHz的频率切换，还具有低损耗，高速的特点；结合FPGA逻辑单元对其的频率切换进而实现指标要求。
进一步地，所述FPGA逻辑单元包括PRF产生模块、雷达信号实时产生模块、雷达信号存储回放模块及DUC模块；
所述PRF产生模块接收控制接口送来的周期参数和脉宽参数(例如PRF周期表序列、PRF脉冲宽度表序列、PRF索引表序列以及实际参差个数K，当M＝0时为不进行成组输出)，产生相应的PRF脉冲，并连同外部PRF一起发送至多路选择器MUX。
进一步地，所述厘米波射频通道收到功分器输入的信号后，经由锁相环和压控振荡器VCO输出10～18GHz信号，该信号再依次经过第一分频器、第二分频器、第一放大器、固定衰减器、第二放大器、开关滤波器、第一6位数控衰减器、第一开关、第二6位数控衰减器、第二开关、第三6位数控衰减器和第三开关，最终输出1～18GHz的厘米波射频信号。
VCO输出时功率为0dBm，经过分频器SID005SP3是固定输出-5dBm,经过中科海高增益为15dB的放大器HGC364，功率达到10dBm。再经高P1db第二级放大器HGC437，使功率饱和到29dBm，经过后续的开关滤波器芯片HGC664损失6dB，最终再经过3级数控衰减器HGC212和3级开关HGC128，损失12.5dBm。最终功率至少10dBm；
对于功率衰减要求，采取了共3级6位数控衰减器HGC212来实现，第一级数控衰减器用20个衰减码实现功率的校准，后面两级衰减器加第一级剩余的衰减码控制频率的衰减，可控范围83dBm，功率步进可实现0.5dB；因此厘米波通道满足指标要求。
进一步地，所述毫米波射频通道收到功分器输入的信号后，经由锁相环和压控振荡器VCO输出10～20GHz信号，该信号经过开关分段为低频段信号和高频段信号；所述低频段信号依次经过放大器、固定衰减器、滤波器、开关、2位数控衰减器和5位数控衰减器，功率损耗14dBm,后再依次经过放大器、两级5位数控衰减器和两级开关损耗16dBm,，最终再放大器以及2位数控衰减器配合输出，此时输出1GHz-18GHz的毫米波射频信号；所述高频段信号经放大器以及推动倍频器倍频，功率输出10dBm左右，后经固定衰减器和增益为8dB中功率放大器，使功率达到18dBm；腔体滤波器与开关组成的开关滤波段损失10dBm，再经一级开关、2位数控衰减器、5位数控衰减器损耗10dBm，再经过一级放大器，使功率输出16dBm，后面经过2级开关与后面两级数控衰减器损耗功率16dBm，输出加一级放大器以及配合一级2位数控衰减器输出18GHz-40GHz的毫米波射频信号。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用内置式天线设计，便携模拟器内部使用两个平螺天线与射频模块相集成，模拟器箱体天线辐射面一侧可采用玻璃钢材质的盖板，即保证信号辐射强度，又不影响模拟器整体结构的可靠性。
(2)本发明采用集成一体化设计，频段覆盖L、S、C、X、Ku、K、Ka等波段，体积为120mm×210mm×140mm，总重量不足2kg，输出功率达到10dBm以上，且动态达到70dB，调制深度超过70dBc，可对多场景下多型装备进行快速方便的测试试验。
(3)本发明的模拟器可输出连续波、常规脉冲等波形。
附图说明
图1为本发明的组成框图；
图2为本发明中射频综合处理模块组成原理图；
图3为本发明中FPGA逻辑单元实现示意图；
图4为本发明中厘米波射频通道示意图；
图5为本发明中毫米波射频通道示意图；
图6为实施例中相位噪声仿真图；
图7为实施例中厘米波天线驻波图；
图8为实施例中厘米波天线增益方向图；
图9为实施例中毫米波天线驻波图；
图10为实施例中毫米波天线增益方向图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1至图3所示，本发明的手持式便携信号模拟器，包括射频综合处理模块、厘米波天线和毫米波天线；射频综合处理模块包括厘米波射频通道和毫米波射频通道，厘米波射频通道和毫米波射频通道接收对应外部输入的控制信号和同步信号，然后基于控制信息通过开关和锁相环产生不同频段的信号，再通过分频或倍频得到厘米波射频信号和毫米波射频信号，最终分别经由厘米波天线和毫米波天线辐射出去；厘米波射频通道使用锁相环ADF41513和压控振荡器VCO IVO1020的组合产生10GHz～18GHz信号，再由两级分频器进行分频得到1GHz～18GHz的厘米波射频信号；毫米波射频通道使用锁相环ADF41513和压控振荡器VCO IVO1020的组合产生10GHz～20GHz信号，再由倍频器进行倍频得到18GHz～40GHz的毫米波射频信号。
如图4所示，本实施例的厘米波射频通道收到功分器输入的信号后，经由锁相环和压控振荡器VCO输出10～18GHz信号，该信号再依次经过第一分频器、第二分频器、第一放大器、固定衰减器、第二放大器、开关滤波器、第一6位数控衰减器、第一开关、第二6位数控衰减器、第二开关、第三6位数控衰减器和第三开关，最终输出1～18GHz的厘米波射频信号。
如图5所示，本实施例的毫米波射频通道收到功分器输入的信号后，经由锁相环和压控振荡器VCO输出10～20GHz信号，该信号经过开关分段为低频段信号和高频段信号；所述低频段信号依次经过放大器、固定衰减器、滤波器、开关、2位数控衰减器和5位数控衰减器，功率损耗14dBm,后再依次经过放大器、两级5位数控衰减器和两级开关损耗16dBm,，最终再放大器以及2位数控衰减器配合输出，此时输出1GHz-18GHz的毫米波射频信号；所述高频段信号经放大器以及推动倍频器倍频，功率输出10dBm左右，后经固定衰减器和增益为8dB中功率放大器，使功率达到18dBm；腔体滤波器与开关组成的开关滤波段损失10dBm，再经一级开关、2位数控衰减器、5位数控衰减器损耗10dBm，再经过一级放大器，使功率输出16dBm，后面经过2级开关与后面两级数控衰减器损耗功率16dBm，输出加一级放大器以及配合一级2位数控衰减器输出18GHz-40GHz的毫米波射频信号。
本发明的便携信号模拟器正常输出信号时，在没有调制命令的情况下，产品输出连续波；得到调制命令后，产品输出脉冲波；脉冲波由高速开关的切换得到，经过严格的筛选和计算，厘米波与毫米波输出通道都选择中科海高的HGC128；能达到40GHz的频率切换，还具有低损耗，高速的特点；结合FPGA逻辑单元对其的频率切换可以实现指标要求。
本实施例中手持式便携信号模拟器的硬件结构如图3所示，整体采用小型化与轻量化设计，模拟器内部模块采用高度集成化，内部射频综合处理模块集成有中频信号产生、频率综合、混频、射频输出等功能，内置平螺天线材质轻、体积小，再加上箱体与把手，模拟器整体尺寸仅为21cm(长)×12cm(宽)×14cm(高)，整机重量不足2公斤。可通过上位机控制主动产生所需的雷达信号，也可通过同步输入接口接收外部脉冲信号，并产生相应的射频输出信号，脉冲宽度可覆盖0.1us～10ms，脉冲周期覆盖1us～10ms，可满足绝大多数雷达设备测试使用。图3中，在模拟器的八个边角出均设置角垫1防止磨损，箱体顶部设置便携式把手2，为了使用方便，射频监测口3、同步信号输入口4和供电及控制接口5均设置在同一侧。
如图3所示，本实施例的FPGA逻辑单元包括PRF产生模块、雷达信号实时产生模块、雷达信号存储回放模块及DUC模块；PRF产生模块接收控制接口送来的周期参数和脉宽参数(例如PRF周期表序列、PRF脉冲宽度表序列、PRF索引表序列以及实际参差个数K，当M＝0时为不进行成组输出)，产生相应的PRF脉冲，并连同外部PRF一起发送至多路选择器MUX。
除能够输出不同波段信号外，本发明还可抑制杂散信号、抑制谐波、降低相位噪声；具体如下。
(1)、杂散抑制功能
本实施例手持式便携信号模拟器能够抑制≥60dBc的杂散信号。
尤其是对于厘米波通道，其电源杂散主来自DC-DC开关频率，故选择开关频率较高的转换芯片，这样可以用环路滤波器滤掉部分，同时做好分腔，更好的抑制开关频率杂散。其鉴相频率为20MHz，环路带宽设置为400KHz左右，环路滤波器可以轻松的滤除20MHz，根据以往经验可以达到60dBc。
而对于毫米波通道，除上述杂散，还有倍频后的分频杂散，本发明可由腔体滤波器直接滤掉。
(2)、谐波抑制
本实施例手持式便携信号模拟器可抑制≥35dBc的谐波。
对于厘米波通道，选取的开关滤波器芯片HGC664可使带外抑制达到40dBc。
(3)、相位噪声
本实施例手持式便携信号模拟器的相位噪声指标：≤-115dBc/Hz@10kHz，@1GHz；≤-95dBc/Hz@10kHz，@10GHz；≤-90dBc/Hz@10kHz，@20GHz；≤-82dBc/Hz@10kHz，@40GHz。
相位噪声计算公式有：
PN ＝ 20logN+PNref 式(1)
PN ＝ 20logN+PNpllfloor+10logPFD 式(2)
式(1)中N为输出频率与参考频率的比值，PNref为参考频率的相位噪声。式(2)中N为输出频率与鉴相频率的比值，PNpllfloor为锁相环的底噪，PFD为在鉴相频率。
内参考相位噪声指标如下：
≤-65dBc/Hz@10Hz；
≤-100dBc/Hz@100Hz；
≤-135dBc/Hz@1kHz；
≤-148dBc/Hz@10kHz；
≤-155dBc/Hz@100kHz；
由公式(1)和公式(2)可得，频率越高相位噪声越差，故取最高频率20GHz进行计算。方案中锁相环芯片使用ADI公司生产的ADF41513，具有相位噪声低、体积小等特点，其整数模式底噪为-234dBc/Hz，鉴相频率采用50MHz。
按公式(1)计算20GHz相位噪声为：
≤-83dBc/Hz@1kHz；
按公式(2)计算20GHz相位噪声为：
≤-100dBc/Hz@1kHz；
再根据仿真软件对相噪进行仿真，仿真结果如图7所示，由图7可知，本发明对于厘米波通道来说，根据上述公式以及仿真曲线可得到最少-83dBc/Hz@1kHz的相噪，满足指标要求。对于毫米波通道来说，因为会倍频一次，所以理论损耗6dB,相位噪声至少-77dBc/Hz@1kHz，满足指标要求。
关于调制深度，本发明的指标要求为≥70dBc(输出0dBm时测试)
由图2可知本发明的厘米波射频通道与毫米波射频通道都选用了三级高隔离开关HGC128，调制时同步调制，可实现108dB隔离，因此满足指标要求。
关于本发明的厘米波天线和毫米波天线均采用两个平螺天线分别对厘米波与毫米波射频信号进行空间辐射，具体指标如下：
(1)厘米波天线：工作频率：1GHz～18GHz；驻波比：≤1.4(type)；射频接口：SMA-K；安装方式：底部螺钉安装。
本实施例中厘米波天线驻波与增益仿真图分别如图7和图8所示。
(2)毫米波天线：工作频率：18GHz～40GHz；驻波比：≤2.0(type)；射频接口：2.92-K；安装方式：底部螺钉安装。
本实施例中毫米波天线驻波与增益仿真图如图9和图10所示。
在实际使用中，对本发明的手持式便携信号模拟器的供电要求为：28.5VDC±10％，供电电流≤5A；高电压输入最高可达36V，带载电流3A；开机总电流最大为2.4A，稳点后电流2.1A左右，经过DCDC后电流为1.1A左右。
Claims (4)
1.一种手持式便携信号模拟器，其特征在于，包括射频综合处理模块、厘米波天线和毫米波天线；射频综合处理模块包括厘米波射频通道和毫米波射频通道，厘米波射频通道和毫米波射频通道接收上位计算机发送的控制信号，然后基于控制信息通过开关和锁相环产生不同频段的信号，再通过分频或倍频得到厘米波射频信号和毫米波射频信号，最终分别经由厘米波天线和毫米波天线辐射出去；
厘米波射频通道使用锁相环和压控振荡器的组合产生10GHz～18GHz信号，再由两级分频器进行分频得到1GHz～18GHz的厘米波射频信号；毫米波射频通道使用锁相环和压控振荡器的组合产生10GHz～20GHz信号，再由倍频器进行倍频得到18GHz～40GHz的毫米波射频信号；
正常工作时，默认输出连续波信号；上位机发送调制命令后，产品输出脉冲波，并可根据需要设置输出信号的脉冲宽度与脉冲周期；脉冲波由高速开关的切换得到，经过严格的筛选和计算，厘米波与毫米波输出通道都选择中科海高的HGC128；能达到40GHz的频率切换，还具有低损耗，高速的特点；结合FPGA逻辑单元对其的频率切换进而实现指标要求。
2.根据权利要求1所述的手持式便携信号模拟器，其特征在于，所述FPGA逻辑单元包括PRF产生模块、雷达信号实时产生模块、雷达信号存储回放模块及DUC模块；
所述PRF产生模块接收控制接口送来的周期参数和脉宽参数，产生相应的PRF脉冲，并连同外部PRF一起发送至多路选择器MUX。
3.根据权利要求1所述的手持式便携信号模拟器，其特征在于，所述厘米波射频通道收到功分器输入的信号后，经由锁相环和压控振荡器VCO输出10～18GHz信号，该信号再依次经过第一分频器、第二分频器、第一放大器、固定衰减器、第二放大器、开关滤波器、第一6位数控衰减器、第一开关、第二6位数控衰减器、第二开关、第三6位数控衰减器和第三开关，最终输出1～18GHz的厘米波射频信号。
4.根据权利要求1所述的手持式便携信号模拟器，其特征在于，所述毫米波射频通道收到功分器输入的信号后，经由锁相环和压控振荡器VCO输出10～20GHz信号，该信号经过开关分段为低频段信号和高频段信号；
所述低频段信号依次经过放大器、固定衰减器、滤波器、开关、2位数控衰减器和5位数控衰减器，功率损耗14dBm,后再依次经过放大器、两级5位数控衰减器和两级开关损耗16dBm，最终再放大器以及2位数控衰减器配合输出，此时输出1GHz-18GHz的毫米波射频信号；
所述高频段信号经放大器以及推动倍频器倍频，功率输出10dBm左右，后经固定衰减器和增益为8dB中功率放大器，使功率达到18dBm；腔体滤波器与开关组成的开关滤波段损失10dBm，再经一级开关、2位数控衰减器、5位数控衰减器损耗10dBm，再经过一级放大器，使功率输出16dBm，后面经过2级开关与后面两级数控衰减器损耗功率16dBm，输出加一级放大器以及配合一级2位数控衰减器输出18GHz-40GHz的毫米波射频信号。
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