一种辐射功率检测器的研制

摘要：设计实现了一种便携式、通用性强、模块化，高可靠性的辐射功率检测器。该检测器在有源电子对抗设备的日常维护、保养中，可用于辐射功率的快速准确检测，可适应于不同频段、不同环境的应用需要，提高了有源电子对抗设备的维护检测效率，解决了有源电子对抗设备日常维护难以检测的难题。
关键词：便携式；辐射功率；有源电子对抗；设备维护

0 引言
    随着国力的提升，我军装备大量的有源电子对抗装备，并迅速更新换代。为满足平时训练、战时打仗的需要，对有源电子对抗装备的日常维护、保养、维修均提出了很高的要求，急需研制一种便携、实用的检测设备。本文设计了一种针对大功率电子干扰设备的辐射功率检测器，检测器体积小、重量轻、模块化设计，非常适用于有源电子对抗设备的日常维护、保养。

1 工作原理
1．1 有源电子干扰设备工作原理
    有源电子干扰设备是针对作战对象辐射源信息，采用大功率压制噪声、欺骗干扰等辐射射频信号，用以与真实雷达反射信号抗衡，达到破坏迷惑敌方雷达的功能的目的。常用的电子干扰设备包括引导式干扰设备、应答式干扰设备，这里以引导式干扰设备为例，典型的引导式有源电子干扰设备的系统框图如图1所示。

    图中，引导式有源电子干扰设备通过接收机引导，干扰机发射，提供有源电子干扰的能力，同时对抗可覆盖频段范围内的多部雷达。图中所示系统包括一部接收机，用于检测和接收侦察接收天线所截获的信号，给出载频(RF)、脉宽(PW)、脉冲幅度(PA)、到达角(AOA)、到达时间(TOA)等脉冲描述字(PDW)参数，用以引导干扰机，以便有源电子干扰机在时域、频域和空域三个方面覆盖作战对象；一部干扰机，包含干扰控制、干扰发射机、干扰波束控制和干扰天线等几部分，用以将引导后产生的干扰信号以一定的功率辐射出去。在系统工作时，有源电子干扰机要将控制的存储信号或信号源信号辐射出去，要保证产生足够的辐射功率来压制真实雷达信号，即要保证最终辐射输出功率的正常。
    在有源干扰设备的试验和研制过程中，可以采用大功率计、频谱分析仪等通用检测设备监测接收有源干扰设备辐射输出的信号，用以判断其工作是否正常，但在有源干扰设备的现场维护中，一般没有这些通用设备。一方面因为功率计、频谱分析仪等通用设备属于精密仪器仪表，价格昂贵，操作复杂；另一方面这些通用设备无法长期在恶劣的环境下(盐雾、潮湿、高温、低温)使用，而军用的有源电子对抗设备都是工作在恶劣的环境下，所以必须研制一种便携式、价格低廉、操作简单、具有较高可靠性，适用于恶劣环境的设备来满足有源电子干扰设备的日常维护需求。
1．2 辐射功率检测器的原理及方案设计
1．2．1 检测器组成
    辐射功率检测器是通过接收有源电子对抗设备辐射的射频信号，转换为射频信号功率，并给出功率指示，来判断辐射功率是否正常。其工作框图如图2所示。

    在图2中，接收天线安装在三角架上，指向被测系统发射天线方向，用来接收被测系统辐射出的射频信号，接收天线与便携式机箱之间采用低损耗射频电缆连接。便携式机箱包含有微波模块、视频检波模块、调理电路模块、微处理单元、显示面板和控制电路几部分，其中显示面板和控制电路部分安装在机箱面板上，其余部分安装在机箱内部。
    检测器各主要模块功能如下：
    接收天线：接收被测设备的辐射信号，具有定向性，提供一定增益和频段选择，接收天线与机箱之间采用低损耗射频电缆连接；
    微波模块：对接收到的辐射信号进行滤波、放大、频段选择、衰减控制等，输出的微波信号送视频检波模块；
    视频检波模块：对接收到的微波信号进行视频检波，检波输出为视频信号，采用的是大动态范围、高灵敏度的DLVA(数字对数检波视频放大器)；
    调理电路模块：调理电路包含运算放大器、A／D转换等，将视频信号转换为数字信号；
    微处理器单元模块：微处理单元模块包含MCU，FPGA，RS 232接口等，将接收到的数字信号处理转换为功率信号，并将功率信号转换为可显示的数值送显示面板显示；
    显示面板：采用数码管显示的方式，直观地给出最终的功率值；
    控制电路：完成输入信号的选择、滤波、频率选择、衰减等开关控制；
    电源：提供电源输入保护，从+28 V变换为±5 V、±12 V，分别给其他各模块提供电源。
1．2．2 硬件设计
    (1)调理电路模块
    调理电路模块对视频检波输出的视频信号进行放大、模／数转换。放大芯片采用ADI公司的AD8132AR，提供3 dB带宽，350 MHz，1 200 V／μs转换速率，可通过电阻比改变增益。A／D芯片采用TI公司的TLC5540，8位采样，最大采样速率达40MHz，+5V单电源供电。A／D芯片TLC5 540的电压参考采用Maxim公司的高精度，低功耗电压参考芯片MAX6166，电压精度可达±2mV，输出电压为2．5V。
    (2)MCU
    MCU单元完成系统控制、计算机接口控制、参数设置、面板接口控制、设备参数加载初始化等功能。
    选用Atmel公司的8位单片机AT89S8253，兼容标准的MCS-51结构，具有12 KB的片内FLASH，2 KB的E2PROM，256×8 b的内部RAM，保证了程序的运行空间和参数的存储，32位可编程I／O接口满足对外连接的需要，四级中断、可编程看门狗保证了系统的可靠性。
    (3)RS 232电平转换
    通用的计算机接口均为RS 232电平标准，要实现与MCU的通信，必须将标准的RS 232电平串口转换为TTL电平的UART信号。
    为保证电源简单、功耗低，RS 232接口芯片选用了Maxim公司的MAX202E，只需+5V单电源供电，外部只需4个0．1μF的电容即可工作，提供双路RS 232接口。
    (4)FPGA
    FPGA模块作为系统的核心模块，接收来自MCU的加载参数数据，同时接收高速的采样数字信号，将采样的数字信号与加载的参数比对、校正、组合，转换为可以显示的BCD码，送给数码显示管进行显示。芯片选择Altera公司的EP1K50QC208，包含2 880个逻辑单元、40 960 b的RAM，1个锁相环，完全满足系统存储和运算需要。FPGA的加载芯片采用被动串行芯片EPC2。
    (5)电源
    电源模块提供±5 V电源，所选用的FPGA需要3．3 V和2．5 V两种电源，芯片选用TI公司的REG104GA-3．3，输入电压为4．3～16 V，输出电压为3．3 V，最大输出电流为1 A；此外还选用LINEAR公司的LT1764EQ-2.5，最大输出电流为3 A，最大输入电压范围为3．5～20 V，输出电压为2．5V。
1．2．3 软件设计
    系统软件主要包括MCU程序、FPGA程序，分别实现系统管理、参数设置、接口控制、参数测量转换等功能。
    (1)MCU软件
    MCU软件是整个系统的管理核心部分，实现接口控制、监测，完成参数设置、更新，实现与外部接口计算机的通信；与FPGA连接，设置FPGA的初始化参数表，流程图如图3所示。

    (2)FPGA软件
    FPGA软件是系统的数据处理核心，主要完成数据采集后缓冲、校正、变换等处理，通过接收来自MCU设置的参数，选择不同的工作模式，最终将接收到的数据通过查表、编码转换为可显示的BCD码，其流程框图如图4所示。

    (3)性能测试
    通过实际测试，设计的辐射检测器处理信号灵敏度可达到-45 dBm，最小脉冲宽度为1 μs，动态范围为45 dB，可检测脉冲调制和连续波信号。

2 结语
    本文设计实现的便携式大功率辐射检测器可实现辐射功率的自动测量，采用便携式、小型化设计，重量轻(小于5 kg)、体积小、灵敏度高、动态范围大，可检测连续波信号、脉冲调制信号，模块化设计，扩展性好，灵活性强，通过采用不同模块，可实现较宽的频段覆盖，适用于有源电子对抗设备的日常维护、保养和维修，也适用于雷达、指令等设备的日常检测。