王玉柱 滕新友 牟光红 邰战雄 任业富

摘  要：二次雷达在不同的使用环境下，周围的天然地形或人造建筑会对其发射的电磁波形成遮挡，导致反射信号过大，对二次雷达造成多径干扰，影响雷达的正常工作。鉴于此，该文设计一种带有前级功控的发射机，该发射机的饱和输出功率可达800 W，可实现3 dB衰减步进，0～15 dB的衰减范围，当天线辐射路径中有遮挡物时，前级功控会控制发射机的输出功率，减小雷达的反射信号，从而解决多径干扰的问题。

关键词：二次雷达；发射机；前级功控

中图分类号：TN95  文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）01-0044-04

Design of Secondary Radar Transmitter with Pre-stage Power Control Function

WANG Yuzhu， TENG Xinyou， MOU Guanghong， TAI Zhanxiong， REN Yefu

（Sichuan Jiuzhou Aerocont Technologies Co.， Ltd.， Mianyang  621000， China）

Abstract： In different use environments， the natural terrain or man-made buildings around the secondary radar will block the electromagnetic waves it emits， resulting in excessive reflected signals， causing multipath interference to the secondary radar and affecting the normal operation of the radar. In view of this， this paper designs a transmitter with front-stage power control function. The saturated output power of the transmitter can reach 800 W， which can achieve 3 dB attenuation step and 0～15 dB attenuation range. When there is an obstruction in the antenna radiation path， the front power control will control the output power of the transmitter， reduce the radar reflection signal， and thus solve the problem of multipath interference.

Keywords： secondary radar; transmitter; pre-stage power control

0  引  言

二次雷達是空管系统的重要组成部分，是航空管制的重要信息源，适用于机场和航路监视，可提供威力覆盖范围内合作目标的距离、方位、气压高度、识别代码和其他特殊标志信息。

二次雷达通过发射载频为1 030 MHz的询问信号和接收载频为1 090 MHz的应答信号，实现对合作目标的监视功能。二次雷达由天线、馈线、发射机、接收机、信号处理、数据处理和显控终端组成[1]。其中，发射机的主要作用是将信号处理模块送入的编码信息调制到载波信号，并将载波信号放大到一定的功率，通过天线辐射到空间，达到传输信号的作用。当发射机功率较大并且在信号传输路径上有遮挡物时，电磁波会被反射回来，对二次雷达造成多路径干扰。为消除反射导致的多路径干扰，在发射机中引入功率控制技术，对指定方位降低发射功率，达到减小甚至消除电磁波反射的效果。

1  发射机功控方式分类

1.1  末级功率控制技术

末级功率控制技术是指在信号经过发射机放大到足够功率后，在输出端口设计一个大功率程控衰减器，将输出功率衰减到合适大小。根据雷达需要，可设置不同的衰减量，其功能框图如图1所示。

大功率程控衰减器通常是由PIN管和固定衰减器组成的衰减网络，内部分为多个衰减支路，每个支路安装不同数值的衰减器。当发射机输出功率需要衰减时，通过控制各支路PIN二极管的导通和截止，使射频信号沿着预定的衰减支路进行传输，进而实现功率衰减的功能。这种功控方式的优点是设计思路简单、调试工作量小，缺点是成本高、衰减器插入损耗大、体积大、衰减网络可靠性低、发射机功耗高等。

1.2  电压降压功率控制技术

电压降压功率控制是指通过控制放大器漏极直流偏置电压，根据功率衰减要求降低放大器漏极供电电压，从而降低发射功率。设计中常用的放大器（Si管、LDMOS、GaN等），要想得到最大输出功率，需提供标称的最大漏极电压值。由功率计算公式P=UI可知，放大器偏置电路的电压降低，直流功率随之降低，相应的放大器输出射频功率也会降低，其功能框图如图2所示。

电压控制电路由大功率MOS管和分压电路组成，每个分压支路可将所输入的直流电压分为不同值的电压，并通过大功率MOS管为放大器提供漏极偏置电压。在输入信号功率恒定的情况下，如果漏极偏置电压降低，放大器的增益会随之变小，实现输出功率衰减的功能。这种功控方式的优点是放大器始终工作在饱和放大状态，输出功率在高低温下波动小，输出脉冲波形不会发生变异，缺点是分压电路热耗高、可靠性低。

1.3  前级功率控制技术

前级功率控制技术是指在放大链路前端采用程控衰减电路进行功率控制，降低后级放大器的输入功率，根据Pout（dBm）=Pin（dBm）+Gp（dB）可知，放大器增益不变时，输出功率会随着输入功率的减小而减小，其功能框图如图3所示。

由于程控衰减器位于放大链路的前端小信号电路中，衰减后的信号还要经过多级放大器。如果后级的放大器工作在非线性区，输出功率不会随着输入功率线性减小。因此，调试过程中需要采用衰减控制电路对各衰减值进行补偿，使输出功率的衰减量满足要求。这种功控方式的优点是成本低、发射机功耗小、电路可靠性高，缺点是调试工作量大。

2  带有前级功控的二次雷达发射机设计

2.1  发射机总体方案设计

发射机主要由载波电路、信号调制电路、小信号放大电路、前级程控衰减电路、功率放大电路、频谱滤波电路、检测电路、保护电路、衰减值补偿电路等组成，组成框图如图4所示。

发射机内部信号传输流程为：频率源电路输出1 030 MHz连续波信号；调制电路通过处理模块送入的幅度调制信号和相位调制信号对连续波进行调幅、调相，滤波后送至小信号放大电路；小信号放大电路将信号放大到一定功率后送至程控衰减电路；程控衰减电路通过处理模块送入的功控信号实现放大链路的功率衰减；之后射频信号经过三级放大电路，将信号放大至1 000 W后送入滤波电路；滤波电路对带外杂散信号滤除后送至天线端口。

2.2  放大电路设计方案

在单个放大器设计中，要注重放大器的稳定性、增益和输出功率[2]。在多级放大器设计中，要注重整个放大链路的输出功率、级间匹配、增益分配等。

根据使用需求，放大电路需要实现信号从0 dBm放大到60 dBm，根据现有的技术水平，采用四级放大器才可实现。通过合理分配各级放大器增益，最终选用HMC589ST89E、AFT27S010NT1、MRFE6S9060NR1、AFV121KH四种放大器进行电路设计，各放大器性能指标如表1所示。

由于放大链路级联级数多，总增益高，为保证放大器工作稳定，消除前后级间的相互影响，在各级放大器之间采用隔离器或匹配π衰电路增强级间匹配，减小放大器输出端反射信号对自身的影响。匹配电路设计中采用分布元件和集总元件实现阻抗匹配，既保证发射机性能一致性，减小调试工作量，又可缩小输入、输出匹配电路的体积。放大电路原理图如图5所示。

2.3  前级功控衰减电路设计方案

前级功控衰减电路由衰减电路和控制电路两部分组成。衰减电路分为主数控衰减器和辅助数控衰减器。主数控衰减器选用HMC624来实现，单片衰减范围30.5 dB，衰减步进0.5 dB[3]。辅助数控衰减器的作用是提高电路的衰减精度，本方案中选用HMC792来实现，单片衰减范围为15.75 dB，衰减步进级联0.25 dB。通过级联设计，衰减电路可实现46.25 dB的动态范围，最小0.25 dB的步进。衰减电路原理图如图6所示。

控制电路由FPGA和FLASH组成。FPGA选用XC3S700AN-4FGG484I，采用90纳米工艺设计，具有成本低、可靠性高、内存大等特点，除了满足发射机功率控制电路使用要求之外，还可以实现发射机占空比保护、功率检波上报、发射机工作状态监视等功能。

FLASH选用SST25VF080B，具有工作电压范围宽、功耗低等特点，能够适应2.7 V～3.6 V的电压，最高时钟頻率可达80 MHz，其电路设计原理图如图7所示。

由于放大电路工作在非线性状态，输出功率不会随着输入功率线性减小，且在不同温度条件下，放大器增益会发生变化，进而导致输出功率发生波动。因此，需要根据输出功率的实测值改变输入功率的大小。

调试发射机时，通过串口控制FPGA进入调试模式，读取温度传感器上报的温度值，控制衰减器改变放大电路输入功率，将衰减电路每个衰减档位在高温、常温、低温三个工作状态下衰减电路的实际衰减值写入FLASH中。发射机正常工作时，FPGA接收到外部处理模块的程控信号后，在FLASH中查表，读取实际衰减值，转化为程控衰减器的串行控制信号，实现精确衰减。

3  发射机调试及测试结果

发射机在调试过程中，调试平台应接地良好，各个测试仪器仪表和稳压电源需连接到同一个参考地，操作人员需佩戴防静电手环。发射机调试平台连接框图如图8所示。

发射机通电前先使用三用表检测各组电压是否正确；然后对每个放大器进行静态调试，使用稳压电源为放大器提供栅压和漏压，逐步增大栅压，观察漏压的电流值，以达到器件要求为准；之后将衰减电路衰减值设置为0 dB，调试放大链路的增益和输出功率；最后调试前级程控衰减电路，在寄存器中将补偿衰减值写入表储存。

调试中，由于放大链路输入端功率降低，会使各级放大器工作在不饱和放大的状态，处于回退使用模式[4]。此时，放大器效率将快速降低，当回退幅度较大时，末级放大器效率大幅降低[5]，能量大部分转化为热量。为了提供脉冲放大瞬时能量，需要调整储能电容的容值。

同时，由于各级放大器工作在不饱和放大状态，放大链路前后级也容易相互干扰，导致放大器处于不稳定状态，使输出信号脉冲出现异形。因此，需要调整放大器静态工作点，通过电位器调整各级放大器栅压，使整个放大链路处于稳定状态。

调试完毕后，使用频谱仪测得发射机端口输出功率经50 dB衰减器后的输出功率为7.7 dBm，输出脉冲波形如图9所示。

通过串口控制FPGA处于工作模式，测试发射机0～15 dB的前级功率控制功能，衰减步进3 dB。功率衰减0 dB～6 dB的输出波形如图10所示，功率衰减9 dB～15 dB的输出波形如图11所示。其中，纵向坐标代表发射机输出功率，横向坐标代表发射机的各衰减档位，每格脉冲为一种衰减状态。

由测试结果可知，发射机输出功率可根据外部输入的功率控制信号进行衰减，衰减步进为3 dB，最大误差不超过±0.6 dB，且脉冲特性一致性好，符合设计预期。

4  结  论

本文设计一种带有前级功控的发射机，其输出功率可根据处理模块的控制信号实现高精度衰减。由于衰减电路位于放大链路的前端，可选用小信号程控衰减器实现，这样大大降低了发射机的硬件成本。同时，衰减电路带入发射链路的插入损耗小，末级放大器在选型时可降低输出功率指标，减小功耗，提高发射机整机效率。前级功控方式还可以实现更小步进、更大范围的衰减功能，在射频链路中具有通用性好、实现容易、控制灵活的特点。此外，本文的功控方法及电路也适用于军民领域的相关应用。

参考文献：

[1] 张尉，何康.空管二次雷达 [M].北京：国防工业出版社，2017.

[2] I.J.巴尔.射频与微波晶体管放大器基础 [M].鲍景富，譯.北京：电子工业出版社，2013.

[3] 李琛.民航数据链VDL Mode 2应用研究 [J].现代电子技术，2014，37（11）：15-18.

[4] 杨旺红.宽带高回退Doherty功率放大器的研究与设计 [J].成都：电子科技大学，2022.

[5] 金正男，李宝华.提高全固态高频功率放大器工作效率的几种方法 [J].内蒙古广播与电视技术，2011，28（4）：71-72.

作者简介：王玉柱（1990—），男，汉族，甘肃永昌人，中级工程师，副主任设计师，硕士，主要研究方向：微波电路与功率放大器设计和研究；滕新友（1986—），男，汉族，四川广安人，高级工程师，副主任设计师，硕士，主要研究方向：微波电路与功率放大器设计和研究；牟光红（1989—），男，汉族，四川雅安人，中级工程师，副主任设计师，硕士，主要研究方向：FPGA逻辑电路设计与研究；邰战雄（1978—），男，汉族，山西临汾人，高级工程师，副总设计师，学士，主要研究方向：微波电路与功率放大器设计和研究；任业富（1987—），男，汉族，四川江油人，中级工程师，副主任设计师，学士，主要研究方向：微波电路与功率放大器设计和研究。

收稿日期：2022-09-21