压制式毫米波干扰模拟器设计
2009-02-12
作者：洪 韬1， 王 超1， 张学斌2
摘 要： 压制式毫米波干扰模拟器能够真实模拟引信所面临的干扰环境，为实验提供阻塞噪声、瞄准噪声、扫频噪声。本文分析了压制式噪声产生原理，阻塞噪声、瞄准噪声采用噪声调频的方式得到，扫频噪声采用函数扫频的方式得到。提出了三种可行的毫米波干扰模拟器的实现方案：上变频方案、滤波方案和倍频方案。对以上三种方案进行了分析和比较，最终设计采用了倍频方案，并给出了实验结果。
关键词： 毫米波；干扰模拟器；压制式干扰；引信
雷达引信是利用雷达波获取目标信息而控制发火的近炸雷达引信。在实际应用中，对雷达引信的人为干扰可以分为无源干扰和有源干扰。压制式干扰属于有源干扰的一种，是干扰方用强大的干扰功率压制破坏雷达引信接收机的工作，或使雷达引信产生虚警而“早炸”；或使雷达引信接收机输出信噪比降低，造成雷达引信对目标的探测困难，甚至失掉目标信息而使雷达引信“瞎火”。
压制式干扰是目前广泛采用的干扰形式。根据实施干扰方法的不同，这种干扰又分为扫频式干扰、阻塞式干扰和瞄准式干扰。扫频式干扰发射等幅或调制的射频信号，其载频以一定速率在很宽的频率范围内按一定规律做周期性变化，当频率扫过雷达引信通带时，就可以使其“早炸”。阻塞式干扰发射宽频带的干扰信号，因此可对频带内的雷达引信同时进行干扰。瞄准式干扰是在接收机雷达引信辐射信号的基础上，将干扰频率对准雷达引信工作频率，并将其功率集中在一个略大于雷达引信工作频带的频率范围内。
毫米波通常是指波长介于1mm～10mm的一段电磁频谱。从频谱分布来看，毫米波低端与微波相连，而高端则和红外、光波相连接。和微波相比，毫米波波长短，因而其设备体积小、重量轻、机动性好。这些特点正是精确制导武器和各种飞行器所必须具备的。因此雷达引信工作频段在向毫米波方向发展。毫米波干扰模拟器通过产生在毫米波段不同性质的干扰噪声可以实现对雷达引信抗干扰能力的评估。
1 压制式干扰原理分析
干扰模拟器提供阻塞式干扰，瞄准式干扰和扫频式干扰。
对于阻塞式干扰，瞄准式干扰，可以由随机信号通过调频的方式得到。随机信号f(t)是均值为零的高斯随机信号，其幅度概率密度可以表示为：
由随机信号f(t)调频得到的调频信号Ψ(t)的功率谱密度为ΨFM(ω)，其表达式为：
在Δωg内，形成了一个噪声干扰带，对在这个频带内的信号可以起到干扰作用。
干扰模拟器的扫频式干扰可以通过函数扫频的方式得到。其中载频为某一频率的正弦波，调制波形为各种函数波形，如正弦波、矩形波、三角波等。叠加上一定带宽的瞬时噪声，从而形成函数扫频式干扰。通过选择不同的扫频率函数，可以模拟不同扫频状态下噪声对雷达引信的干扰。不失一般性，以线性调频波为例分析。线性调频波的产生方式是一个锯齿波加到压控振荡器(VCO)上形成的，在理想情况下，VCO的频率倾斜度为一直线，对VCO施加一线性电压，其输出信号的频率应随时间呈线性变化。
线性调频波是在周期T内，形成一个带宽为B的扫频信号。线性调频波在数学上可以表示为：
如果扫频的过程中叠加上瞬时噪声，则在带宽B内干扰信号以速率为1/T作周期性的变化，可以形成一个干扰带，对频带内的雷达引信同时进行干扰。
同理，如果扫频率函数为三角波、阶梯波、锯齿波、正弦波等，在扫频过程中叠加上瞬时噪声，可以得到载频以不同规律变化的扫频干扰过程。
压制式干扰产生结构框图如图1所示。压制式干扰产生由函数波形发生器、基带白噪声发生器、压控振荡器(VCO)等组成。当工作在阻塞式干扰和瞄准式干扰方式时，波形发生器不工作，只有带限白噪声经过隔直滤波放大以后加到VCO上，噪声频谱的中心位置通过加到VCO上的直流偏压大小来控制，噪声调频半功率点带宽通过加到VCO上的带限白噪声幅值来控制。基带白噪声加到VCO以后将得到阻塞或瞄准噪声。基带噪声的幅度范围是可变的，不同幅度的基带噪声通过VCO以后将得到不同带宽的调频噪声。在通带范围内的噪声具有均匀的功率谱密度，在工程上是可以接受的干扰噪声。通过调节加到VCO上的直流电压的大小可以控制噪声频谱中心位置，将噪声再通过滤波器以后就可以得到所需工作频段的噪声干扰信号。而扫频式干扰由函数发生器产生不同的函数波形以供选择，函数波形经过隔直滤波放大以后加到VCO上，此时白噪声发生器提供一个瞬时的干扰噪声。干扰频谱的中心位置通过加到VCO上的直流偏压大小来控制，扫频率带宽通过加到VCO上的波形的幅值来控制。使用Simulink进行建模仿真，可以得到白噪声发生器提供产生的5MHz白噪声通过VCO调频产生出大于200MHz阻塞干扰噪声。如图2所示。
2 干扰模拟器方案设计
干扰模拟器的设计要求提供在毫米波段的压制式干扰，可以模拟功率和频率的变化，而且要求其工作频率和带宽可以随模拟要求的不同人为设定，功率大小也能够依照要求改变大小，且有足够大的动态范围。
为了实现上述要求，在设计过程中提出以下几种可行的方案。
2.1 上变频方案
上变频方案如图3所示。为获得毫米波噪声干扰信号，电路采用三次频率变换过程。基带噪声经过三次混频，被调制到Ka波段，再经毫米波功放达到足够大的发射功率。采用三次混频的目的是确保各级本振信号被滤除干净。该方案的优点是未采用倍频器件，信号完整性好。功率大小的改变通过电调衰减器来控制，这一过程在Ku波段完成。该电路设计方案在工程上比较成熟，缺点是电路结构比较复杂，高中频毫米波混频器货源不好寻找。所以最终设计没有采用该方案。
2.2 滤波方案
滤波方案如图4所示。阻塞噪声和瞄准噪声使用的模拟噪声发生器经开关滤波器组产生；开关滤波器组用来选择两种噪声信号的带宽；开关控制信号由控制单元产生。扫频噪声由函数波形加到恒温VCO后通过调频的方式产生，扫频过程中需要叠加的瞬时噪声也来自模拟噪声发生器。两路中频噪声同本振信号混频产生Ku波段的微波信号，该信号经倍频、功率放大调制到Ka波段得到功率足够大的毫米波噪声干扰信号。该方案的优点是阻塞噪声与瞄准噪声频谱基本不受温度影响。缺点是系统成本高，且电路方案不太成熟，技术风险大。所以最终设计也没有采用该方案。
2.3 倍频方案
倍频方案如图5所示。基带白噪声和函数波形通过信号合成器以后加到VCO上，通过调频的方式得到在中频频段的阻塞、瞄准和扫频噪声。该中频噪声通过一次混频到Ku段，再二倍频到Ka段，实现毫米波段的干扰噪声。由于该方案从研制成本和工程实现上来说都是最合适的方案，所以最终设计采用了该方案。
3 实测结果和结论
图 6是采用倍频方案的干扰噪声实测结果图。可见，采用倍频方案可以很好地实现毫米波干扰模拟器的设计。
参考文献
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