CN211880389U - 一种窄带探空应答装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高空气象探测领域，尤其涉及一种窄带探空应答装置，其特征在于：其包括收发天线、功放模块、接收模块和控制模块；功放模块输出端和接收模块输入端均连接于收发天线；功放模块用于产生激励射频信号载波并对其进行频率调制产生射频信号；接收模块用于通过收发天线接收地面雷达的发射激励信号和功放模块产生的射频信号并进行混频后提取应答信号；控制模块用于接收应答信号，产生调制后的键控信号从而控制功放模块的输出信号频率。本实用新型实现高空气象探测仪与地面雷达设备之间的窄带通信。

Description

一种窄带探空应答装置

技术领域

本实用新型涉及高空气象探测领域，尤其涉及一种窄带探空应答装置。

背景技术

国内外获取500m～30km中高空气象信息的主要通过使用氢气球/氦气球悬挂高空气象探测仪，结合地面接收设备或二次雷达探测高空气象信息。

高空气象探测仪结合地面接收设备的方式是基于气象学原理对探测仪所测得的高空气象数据进行解算，得出探测仪高度信息，从而进一步推算高空风速、风向等气象要素，因为地面接收设备不需要发射设备，所以接收设备的隐蔽性较强，同时高空气象探测仪可以使用连续波调频体制，占用频带较窄，提高了频谱利用率；随着气象原理的理论基础日益完善，这种方式的探测精度也越来越高；但是，因为高空大气非常稀薄，随着高度变化引起的气压变化并不明显，这就造成接收设备解算出的高度分辨力随之变低，探测精度无法满足较高要求的气象探测领域。

高空气象探测仪结合二次雷达的方式是我国气象探测的主要方式，随着多年的发展，这种技术已经非常完善，其高空气象探测仪采用超再生调幅体制，作为消耗性器材，具有极低的成本和较高的测距精度，但是调幅体制较宽的带宽和较低频谱利用率与相近频率通信设备之间的干扰较为严重，已经不能满足市场需求；

随着无线电频段的需求量增大，新的频谱划分已对高空气象探测提出了更高的要求，所以窄带高空气象探测技术是现阶段高空气象探测技术的重要发展方式。

发明内容

本实用新型的目的是为了提供一种窄带探空应答装置，实现高空气象探测仪与地面雷达设备之间的窄带通信，探测精度高。

为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案为：一种窄带探空应答装置，包括收发天线、功放模块、接收模块和控制模块；功放模块输出端和接收模块输入端均连接于收发天线；

功放模块用于产生激励射频信号载波并对其进行频率调制产生射频信号，包括频率调制电路、锁相振荡电路和功率放大电路；频率调制电路输入端与控制模块的频率控制输出端相连，频率调制电路输出端与锁相振荡电路控制端相连，锁相振荡电路输出端与功率放大电路输入端相连，功率放大电路输出端为功放模块的输出端，与收发天线相连；

接收模块用于通过收发天线接收地面雷达的发射激励信号和功放模块产生的射频信号并进行混频后提取应答信号，包括功率合成器、耦合器、低噪声放大器、解调电路和检波放大电路；功率合成器具有二个输入端，一个输入端与收发天线相连，另一个输入端与耦合器输出端相连，耦合器输入端与收发天线相连；功率合成器输出端与低噪声放大电路输入端相连，低噪声放大电路输出端与解调电路输入端相连，解调电路输出端与检波放大电路输入端相连，检波放大电路输出端作为接收模块的输出端与控制模块的应答输入端相连；

控制模块用于接收应答信号，产生调制后的键控信号从而控制功放模块的输出信号频率；用于接收外接探测器的气象数据并形成调制信号发送给功放模块；包括微型控制器和数据接收器；微型控制器的应答输入端与接收模块的检波放大电路输出端相连，微型控制器的频率控制输出端与功放模块的频率调制电路输入端相连，微型控制器的探空输入端与数据接收器输出端相连，数据接收器输入端用于连接外接探测器获取气象数据。

按以上方案，频率调制电路采用的是MCO1664型频率可调集成压控振荡器；MCO1664型频率可调集成压控振荡器用于产生L波段的射频载波信号，同时本振荡器还包含一个频率调制控制端用于产生调制信号到来时的频率偏移。

按以上方案，锁相振荡电路采用的是LMX2326型集成锁相环控制器，其基准源采用HTAF18C24型温补晶振；LMX2326型集成锁相环控制器用于稳定MCO1664型频率可调集成压控振荡器产生的信号频率，其基准源采用HTAF18C24型温补晶振，保证在不同温度下，功放模块输出频率稳定。

按以上方案，功率放大电路采用的是TQP7M9102型功率放大器；TQP7M9102型功率放大器为500mW功率放大器，将L波段的射频载波信号放大至500mW输出。

按以上方案，所述功率合成器和耦合器均为微带线。具有成本低，简单稳定易调试的优点；通过调整功率合成器与耦合器的输入端微带线长度以调整耦合信号的相位，使其与射频信号经收发天线注入给接收模块的信号相位相差180°，从而将接收模块接收到的射频信号功率抑制在7dBm以下。

按以上方案，所述解调电路采用的是SMS7630型肖特基二极管检波器。其在1mA时能产生不低于60mV的正向电压，效率非常高。

按以上方案，所述检波放大电路为基于AD8052双高速运算放大器建立的低噪声有源带通滤波器，经调试其通带的中心频率约为地面雷达设备的频率调制频偏值，一般在100kHz～200kHz范围内，从而实现窄带接收解调功能，同时其阻带对低于50kHz的基带信号抑制能力不低于40dBc，可以防止功放模块输出的射频信号因为温度漂移而造成零中频接收的误码情况发生。

按以上方案，所述微型控制器采用的是PIC16F877A单片机；数据接收器采用的是74HC14D六反相器；PIC16F877A具有较低的成本，开发调试简易的优点，74HC14D电路搭建灵活，可以适应各类数据隔离与驱动，用于与外部探测器连接。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型的控制模块接收气象探测器的气象数据，接收模块接收地面雷达的发射激励信号并产生应答信号，功放模块将气象探测器的气象数据以及应答信号通过射频信号发送给地面雷达设备；其中，接收模块中，经低噪声放大的射频信号包括地面雷达的发射激励的信号和功放模块产生的射频信号，两种信号载波频率相同，射频对消，一同加至解调电路中完成混频形成零中频，得到零中频信号；接收带宽控制简单，调试容易，并能够同时兼容调幅信号以及调频信号的接收，即能实现与现有调幅体制的地面雷达相互通信，同时能与调频连续波雷达相互通信，实现高空气象探测仪与地面雷达设备之间的窄带通信；载波为连续波信号，频谱范围非常窄，功放模块输出功率可以满足信号传输要求，实现窄带远距离探空应答，探测精度高；进一步的，接收模块的输入端采用了功率合成器和耦合器用于降低功放模块的信号干扰，防止接收模块饱和；电路简单，易实现。

附图说明

图1为本实用新型实施例整体结构示意图；

图2为本实施例中功放模块结构示意图；

图3为本实施例中接收模块结构示意图；

图4为本实施例中控制模块结构示意图；

图5为本实施例的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

请参考图1至图5，本实用新型为一种窄带探空应答装置，用于远距离接收地面设备发射的激励信号，并产生应答信号，发射具有探空信息和应答信号的射频信号传输给地面设备；其包括收发天线、功放模块、接收模块和控制模块，收发天线、功放模块、接收模块和控制模块采用一体化集成设计为一块印制电路模块；收发天线是接收与发射射频信号的天馈系统，与功放模块的输出端和接收模块的输入端相连；收发天线为单极子天线，由馈线及印制天线组成，具有加工简易，成本较低的优点。

功放模块是产生激励射频信号载波并对其进行频率调制的模块，经调制后的激励信号输出功率约为500mW；功放模块包括频率调制电路、锁相振荡电路和功率放大电路；频率调制电路输入端与控制模块的频率控制输出端相连，频率调制电路输出端与锁相振荡电路控制端相连，锁相振荡电路输出端与功率放大电路输入端相连，功率放大电路输出端为功放模块的输出端，与收发天线相连；锁相振荡电路用于产生频率稳定的射频载波信号，确保其输出频率值与地面雷达的发射激励信号基本一致，其产生的信号频率受到频率调制电路的控制，频率调制电路是采用频率键控体制的调制器，接收控制模块送来的键控指令并转换成为锁相振荡电路的频率控制信号，实现射频信号的频率控制，频率调制的频率偏移最大可达到200kHz，功率放大电路为-1dB压缩点较高的集成功率放大器。频率调制电路采用的是MCO1664型频率可调集成压控振荡器，锁相振荡电路采用的是LMX2326型集成锁相环控制器，其基准源采用HTAF18C24型温补晶振，功率放大电路采用的是TQP7M9102型功率放大器；MCO1664型频率可调集成压控振荡器用于产生L波段的射频载波信号，同时本振荡器还包含一个频率调制控制端用于产生调制信号到来时的频率偏移。LMX2326型集成锁相环控制器用于稳定MCO1664型频率可调集成压控振荡器产生的信号频率，其基准源采用HTAF18C24型40MHz温补晶振可以输出稳定的时钟频率，随着使用环境温度的变化，其频率变化范围不超过±25ppm，使得在使用温度范围内MCO1664型频率可调集成压控振荡器输出的射频信号频率变化量控制在50kHz以内，从而具有较强的环境适应性能力，保证不同温度下输出频率基本不变。TQP7M9102型功率放大器为500mW功率放大器，将L波段的射频载波信号放大至500mW输出。使用单极子天线时，地面雷达接收到的信号功率约为：

式中：P_s为功放模块的输出功率，为500mW；

G_s为收发天线的增益，约为0.1dB；

G_r为地面雷达的天线增益，取24dB；

λ为工作频率射频信号波长，L波段时约为0.179m；

R为传输距离，为200km。

则：

P_r≈-94dBm

当选用连续波载波时，地面雷达的接收灵敏度一般不低于-107dBm，本实用新型的功放模块输出功率可以满足信号传输要求。

同时功放模块使用分立电子元器件组成另一组环路滤波器，将控制模块的数字键控指令进行滤波后产生频率控制信号送给MCO1664的调制控制端。

接收模块是接收地面雷达的发射激励信号并提取应答指令的功能模块，包括功率合成器、耦合器、低噪声放大电路、解调电路和检波放大电路；其中，功率合成器的2个输入端分别连接收发天线与耦合器的输出端，以降低功放模块对接收模块的干扰，防止接收模块饱和；功率合成器输出端与低噪声放大电路输入端相连，低噪声放大电路输出端与解调电路输入端相连，解调电路输出端与检波放大电路输入端相连，检波放大电路输出端作为接收模块的输出端与控制模块的应答输入端相连；低噪声放大电路的主体为一只集成低噪声放大器，该放大器选取拥有较高-1dB压缩点的低噪声放大器，为了防止接收模块工作在饱和状态影响信号接收，经低噪声放大后的射频信号在解调电路中产生基带信号，再经检波放大电路产生脉冲信号，将作为应答指令输出给控制模块。

功率合成器、耦合器均为微带线，具有成本低，简单稳定易调试的优点，耦合器用于耦合功放模块的输出信号，通过调整功率合成器与耦合器的输入端微带线长度以调整耦合信号的相位，使其与射频信号经收发天线注入给接收模块的信号相位相差180°，从而将接收模块接收到的射频信号功率抑制在7dBm以下；

低噪声放大器选用具有大动态范围的TQP3M9008型低噪声放大器，其-1dB压缩点大于20dBm，噪声系数小于2dB，确保连续波接收状态下接收机不饱和，并能进行低噪声放大；

经低噪声放大的射频信号包括地面雷达的发射激励的信号和功放模块产生的射频信号，两种信号载波频率相同，一同加至解调电路中的混频二极管SMS7630的输入端，完成混频形成零中频，得到零中频信号。解调电路是SMS7630型肖特基二极管检波器，其在1mA时能产生不低于60mV的正向电压，效率非常高。检波放大电路是基于AD8052双高速运算放大器建立的低噪声有源带通滤波器，经调试其通带的中心频率约为地面雷达的频率调制频偏值，一般在100kHz～200kHz范围内，从而实现窄带接收解调功能，同时其阻带对低于50kHz的基带信号抑制能力不低于40dBc，可以防止功放模块输出的射频信号因为温度漂移而造成零中频接收的误码情况发生。经调试其电压增益不低于60dB，带宽根据地面雷达设备的不同调试在约几十kHz～200kHz，调试简易。

距离为200km时，探空应答机接收到的信号功率约为：

式中：P_r为地面雷达发射机的输出功率，约为2000W；

G_r为地面雷达的天线增益，约为24dB；

G_s为收发天线的增益，取0.1dB；

λ为工作频率射频信号波长，L波段时约为0.179m；

R为传输距离，为200km。

则：

P_r≈-55.8dBm

在确保系统有足够的功率增益时，探空应答机理论最小灵敏度可以达到：

式中：S_{i min}为最小灵敏度；

k为Boltzmann常数，为1.38×10^-23J/K；

T为热力学温度，取290K；

B_n为信号带宽，取0.2MHz；

F_n为接收模块噪声系数和功率合成器的插损，约为6dB，；

(S/N)_omin为输出端信噪比，取1。

则：

S_{i min}≈-114dBm

接收模块能够满足接收地面雷达发射信号的要求。

控制模块是控制以及数据处理单元，包括微型控制器和数据接收器，微型控制器可以接收应答指令，产生调制键控指令从而控制功放模块的输出信号频率，数据接收器使用时需与外部气象探测器或其他类型传感器连接，探测器或传感器送来的数据信号经过数据接收器转换后被送往微型控制器，在微型控制器中处理成为气象信息并形成调制信号发送给功放模块；控制模块由PIC16F877A单片机与74HC14D六反相器组成，PIC16F877A具有较低的成本，开发调试简易的优点，74HC14D电路搭建灵活，可以适应各类数据隔离与驱动，用于与外部探测器或传感连接；外部探测器的数据传输采用UART串口通讯，电源采用24V直流供电。

本实用新型实施例的技术指标：

工作频率：L波段；

输出功率：≥250mW；

调制方式：调频，频偏；50kHz～200kHz；

基带频率：50Hz～20kHz；

数据采集接口：RS422/RS485；

接收灵敏度：≤-107dBm；

工作电压：+12V；

工作电流：300mA。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种窄带探空应答装置，其特征在于，包括：收发天线、功放模块、接收模块和控制模块；功放模块输出端和接收模块输入端均连接于收发天线；

功放模块用于产生激励射频信号载波并对其进行频率调制产生射频信号，包括频率调制电路、锁相振荡电路和功率放大电路；频率调制电路输入端与控制模块的频率控制输出端相连，频率调制电路输出端与锁相振荡电路控制端相连，锁相振荡电路输出端与功率放大电路输入端相连，功率放大电路输出端为功放模块的输出端，与收发天线相连；

接收模块用于通过收发天线接收地面雷达的发射激励信号和功放模块产生的射频信号并进行混频后提取应答信号，包括功率合成器、耦合器、低噪声放大器、解调电路和检波放大电路；功率合成器具有二个输入端，一个输入端与收发天线相连，另一个输入端与耦合器输出端相连，耦合器输入端与收发天线相连；功率合成器输出端与低噪声放大电路输入端相连，低噪声放大电路输出端与解调电路输入端相连，解调电路输出端与检波放大电路输入端相连，检波放大电路输出端作为接收模块的输出端与控制模块的应答输入端相连；

控制模块用于接收应答信号，产生调制后的键控信号从而控制功放模块的输出信号频率；用于接收外接探测器的气象数据并形成调制信号发送给功放模块；包括微型控制器和数据接收器；微型控制器的应答输入端与接收模块的检波放大电路输出端相连，微型控制器的频率控制输出端与功放模块的频率调制电路输入端相连，微型控制器的探空输入端与数据接收器输出端相连，数据接收器输入端用于连接外接探测器获取气象数据。

2.根据权利要求1所述的窄带探空应答装置，其特征在于：所述频率调制电路采用的是MCO1664型频率可调集成压控振荡器。

3.根据权利要求1所述的窄带探空应答装置，其特征在于：所述锁相振荡电路采用的是LMX2326型集成锁相环控制器，其基准源采用HTAF18C24型温补晶振。

4.根据权利要求1所述的窄带探空应答装置，其特征在于：所述功率放大电路采用的是TQP7M9102型功率放大器。

5.根据权利要求1所述的窄带探空应答装置，其特征在于：所述功率合成器和耦合器均为微带线。

6.根据权利要求1所述的窄带探空应答装置，其特征在于：所述解调电路采用的是SMS7630型肖特基二极管检波器。

7.根据权利要求1所述的窄带探空应答装置，其特征在于：所述检波放大电路为基于AD8052双高速运算放大器建立的低噪声有源带通滤波器。

8.根据权利要求1所述的窄带探空应答装置，其特征在于：所述微型控制器采用的是PIC16F877A单片机；数据接收器采用的是74HC14D六反相器。

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