2017, Vol. 39
船载 S 频段测控雷达（United S-Band, USB）通常采用对前桅电标进行遥测误码率测试，通过前桅天线连接标校机房的可调衰减器人工手动调整实现射频信号在空间辐射的强弱变化，以达到基带遥测误码率测试时所需要的门限信噪比。但由于其他雷达设备在船首尾线上的加装造成接收信号的遮挡，而且有可能导致发射机发射的功率反射过大给系统引入较强的干扰信号，甚至直接损坏 S 频段测控雷达的微波高频器件。
本文设计的船载 S 频段测控雷达偏馈信号动态控制系统可实现雷达天线在对冷空的情况下手动或自动调整接收射频信号幅度的变化，满足相关指标的测试需求；也可实现船载测控雷达系统联调过程中模拟目标动态变化情况，仿真和分析测控信号动态变化对系统跟踪性能的影响。
1 偏馈信号的射频环境构建在天线主反射面适当位置安装一偏馈小天线（振子），安装位置要求在满足近场辐射特性的条件下，最大限度减少多径效应对信号电平的影响，确保系统标校测试电平和数据的稳定性。偏馈振子通过信号线缆、环形器与校零变频器相连，校零变频器置于中心体内，偏馈振子可以接收天线发射的上行信号，并通过校零变频器进行频率的变换输出，输出信号经过动态信号控制系统后，经过环形器传输到偏馈振子进行信号转发，产生的射频信号等效于转发机辐射在天线主反射面上的射频信号，经副反射面反射后进入雷达馈源系统，经高频接收信道传输变频后送综合基带进行解调处理或送给跟踪接收机进行和差通道的相位调整。
通常借助主天线和偏馈振子构成无线射频闭环，可以实时、精确测定船载雷达的距离零值，从而实现无塔零值标校[1]。也可利用偏馈振子作为跟踪通道的校准源调整雷达跟踪和通道/差通道间的相移，完成跟踪接收机的无塔校相[2]。如果上行信号采用已调制固定码的模拟源，则可以利用偏馈振子构成无线偏馈射频闭环完成遥测误码率的测试，其门限电平的调整可借助动态信号控制系统完成。图 1 为无线偏馈射频信号环境构建图。
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图 1 无线偏馈射频信号环境构建图 Fig. 1 Design of RF signal circumstance in wireless offset dipole |
无线偏馈射频信号动态控制系统主要由上位机（系统监控台工控机）、下位机（控制模块及外围电路）、串口服务器和网络交换机组成。系统的上位机依托于无线电主控机房的系统监控台实现，通过软件界面人工设置静态衰减量，或读取动态控制文件以需要的时间间隔对数控衰减器的衰减量进行增减控制；而下位机与偏馈校零变频器共同位于天线背部支架的中心体内，采用 51 系列单片机最小系统、数控衰减器及相关外围电路组成控制单元模块，实现对偏馈校零变频器所发射信号强度的增减控制。下位机检测数控衰减器的衰减量并将采集到的数值传输至上位机，上位机对采集到的数据进行计算分析、显示。
2.1 信息传输路径及传输方式选择由于系统监控台位于无线电主控机房，其对下位机及偏馈校零变频器的远程控制信息必须通过高频接收机房的跟踪机柜进行接口转换，然后再送至雷达天线内部，经过方位转接板、低频滑环、俯仰转接板、俯仰旋转关节才能将上位机的控制信息传送到中心体的动态控制系统，并实现对偏馈校零变频器的信号幅度控制。同理偏馈校零变频器的反馈信息采用逆向传输路径完成信息的上报和显示。图 2 为控制信号及供电传输路径的连接框图。
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图 2 控制信号及供电传输路径转接关系框图 Fig. 2 Structure of control signals and power routes |
来自系统监控台上位机的远程控制信息以 RJ45 网线方式实现跨机房的信号传输，在高频接收机房的下行开关控制插箱完成 TCP/IP 网络信息与 RS-422 异步通讯串口信息的转换。RS-422 总线是差模传输，抗干扰能力强，最大传输距离约 1 200 m，最大传输速率为 10 Mb/s，其四线接口可以采用单独的发送和接收通道。未采用 RS232 总线接口的原因，是由于 RS-232 总线接口采用 1 根信号线和 1 根返回线而构成共地的传输形式，传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱，在经过低频滑环多路信号拥挤的路径下可能导致系统可靠性降低，而且其传输距离有限不适合于远程传输信号，无法满足高频接收机房到偏馈校零变频器 50 m 左右的信号传输，所以系统信息远距离传输方式必须采用 RS-422 总线作为中间转换串口。
RS422 串行接口不利于联网管理和 IP 化数据存取，需要 DE-211 串口服务器完成 RS-422 到 TCP/IP 之间的数据转换，实现串口与网络的数据双向透明传输，便于进行 IP 化管理、IP 化数据存取。接口转换的硬件采用 MOXA 公司的 DE-211 串口联网服务器，通过其内置的以太网 TCP/IP 协议和系统监控台进行交换数据，所以要设置 DE-211 的 IP 地址和网关等参数，同时也要为系统监控台设置相应的 IP 和网关，使两者处于同一个监控网网段，这样两者就可以通过以太网传输协议交换数据，提高了数据传输速率和安全性。整个传输路径中的关键环节是将 RS-422 总线的控制及反馈信息利用天线低频滑环的电刷进行信号传递，充分利用天线低频滑环的工作特性，避免了串口线缆被天线卷绕的缺陷[3]。
综合以上考虑，该控制系统采用 RS-232 串口实现近距离的实时控制，采用 RS-422 总线实现从天线上部到控制机房内部的远距离传输。
2.2 数控衰减器的选型根据指标要求，该控制系统中所采用的数控衰减器衰减量为 60 dB，可用 6 位衰减器实现 26-1 = 63 dB 的最大衰减量。衰减器在改变衰减数值时，一般对接收通道的信号增益及相位一致性会产生影响，因而要使系统状态工作稳定，也需考虑衰减状态的衰减精度和相位变化率。该系统采用亚光公司的 VJBS1122 数控衰减器，该型衰减器采用贴片电阻网络和微型真空继电器级联而成，一般用于控制信号源输出至匹配负载的信号强度，防止负载电路过载。指标如下：
相位稳定性：全温范围 ≤ 1°；
各衰减状态相位一致性：≤ ± 0.2°；
衰减精度：≤ ± 0.3 dB；
衰减平坦度：带宽内 ≤ 0.5 dB。
系统研发中通过单片机采用 TTL 电平对数控衰减器的数值增减进行便捷控制，衰减精度高、相位恒定。
2.3 硬件电路设计控制模块包括 STC89C52RC 单片机及单片机最小系统、亚光公司 VJBS1122 数控衰减器、交直流电源等部分。其模块设计如图 3 所示。
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图 3 控制模块结构图 Fig. 3 Composition of control module |
单片机最小控制系统是基于 RS-232 串口完成数据信息的交换，为提升系统可靠性和适应远距离传输，在控制模块内部将 RS-232 串行接口利用 NPORT 5110 转换卡转换为适合于远距离传输通信的 RS-422 串行接口标准。其控制模块结构如图 3 所示。
系统设计中是通过 STC89C52RC 单片机的精确控制及相关电平的转换，实现对数控衰减器数值的改变。该单片机是整个电路中最核心的元件，是一种低功耗、高性能、抗干扰 CMOS8 位微控制器，同时还具有串行口编程功能，指令代码及引脚完全兼容传统 80C51 单片机。
由于单片机采用的是 TTL 电平（逻辑 1 ＜ 0.5 V，逻辑 0 ＞ 2.4 V），而单片机最小系统配置的串口采用的是 RS-232 电平（逻辑 1 =-3～-15 V，逻辑 0 = +3～+15 V），因此单片机与外界的异步通信必须加电平转换电路。该电路以 MAXIM 公司生产的 MAX232 为转换芯片，芯片内部有电源电压变换电路，可以把输入的 +5 V 电源变换成 RS-232C 输出电平所需 ± 12 V 电压。该芯片 1～6 脚和 4 只外接电容构成电荷泵电路，功能是产生 +12 V 和-12 V 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要，7～10 脚是被使用的数据通道，其中 9，10 脚分别接单片机的 RXD 和 TXD 端，7，8 脚与标准 RS-232 接口的 2，3 脚相连。因此选择 MAX232 转换芯片将 RS-232 标准电平转换为 TTL 电平接入处理器的异步串行通信口，实现 RS-232 网络的半双工通信。外部晶振主要负责为单片机提供所需时钟频率，单片机所有指令的下达都取决于晶振所提供的时钟频率，时钟频率越高，单片机的运行速度越快。为使各部分功能保持同步，系统选用外部晶振产生 11.059 2 MHz 的固定频率[4-5]。根据上述元器件的选择，其硬件接口电路设计框图如图 4 所示。图中所示 +5 V 电压由偏馈校零变频器 +5 V 直流电源模块提供，这样可以保证整个动态信号控制系统电源的一致性。
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图 4 STC89C52RC 的外部连接图 Fig. 4 External composition of STC89C52RC |
系统监控台软件基于 CORBA 服务体系研发，选用 Borland C++ Bulider 6.0 集成开发环境，采用面向对象的编程方法[6-7] 。软件采用 C/S 软件编程结构，分为客户端和服务端 2 个软件，客户端软件的功能之一是完成校零变频器的状态监视及参数控制，服务端软件的功能之一是完成下位机数据的分析和底层数据处理。监控服务端软件通过 CORBA 接口和数据库服务软件之间进行信息交互。
为了充分利用系统监控台的现有资源，进一步增强软件的适用性和维护性，有效降低系统研发成本。将系统监控台的客户端软件进行功能扩展和模块添加形成上位机控制程序，该控制程序直接嵌入到系统监控台软件中，与原系统监控台共用服务端程序，既可采集校零变频器的工作状态，又可对数控衰减器实现精确控制。该控制程序的主要功能是动态调用预先准备好的 *.txt 文件进行控制，也可静态设置数控衰减器数值。其主程序流程如图 5 所示。
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图 5 主程序流程图 Fig. 5 Flow chart of main program |
控制软件程序界面如图 6 所示。“文件编号选择”选项框有 4 个选项，每个选项对应目录中的一个配置文件 ZRTConfig（配置文件是普通的文本文档，文件中每行是一个衰减量），可根据需要提前准备 1～4 个配置文件，以便随时调用。“间隔时间”选项框可以选择 1～10 s 的间隔时间，系统监控软件向偏馈校零变频器发送一条衰减数值参数控制命令。点击“开始”按钮后，系统监控软件首先从硬盘指定目录下读取选择的配置文件，然后定时向偏馈校零变频器发送一条参数控制命令，如果不按其他按钮，需要等到配置文件中的参数依次发送完毕以后，才会停止向校零变频器发送命令。点击“停止”按钮可以终止向校零变频器发送参数控制命令，如果想继续发送控制命令，需要重新点击“开始”，按照配置文件中衰减量的顺序依次发送参数控制命令。点击“暂停”按钮可以使系统监控软件暂停向校零变频器发送参数控制命令，此时软件会记住当前衰减量在控制文件中的位置，等待点击“继续”按钮以后，从该位置继续往下读取衰减量。只有在前期点击了“暂停”按钮，“继续”按钮才有效，点击“继续”按钮以后，软件从暂停前读取的最后一个衰减量后面开始继续读取衰减量，并向校零变频器发送参数控制命令。
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图 6 软件程序界面图 Fig. 6 Interface of software |
按照图 1 构建船载测控雷达无线偏馈射频链路模拟遥测误码率测试，综合基带采用调频遥测模拟源作为上行 70 MHz 激励信号，并通过上变频器进行频谱搬移，最后通过高功率放大器将电信号变为电磁波通过雷达天线辐射到空中。对偏馈射频信号进行动态衰减控制测试。并对校零变频器转发的下行接收信号进行数据记盘，系统监控台读取的控制文件采用简单的 1 dB 步进，每秒发送一次控制命令。其中高功率放大器通过雷达天线分别对空中上功率 20 W，50 W，100 W。当高功率放大器对天线上功率 100 W 时，数控衰减器经过 24 s（即经过 24 dB）的变化后，综合基带已出现失锁现象（图 7 (b)）。
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图 7 无线偏馈射频信号变化情况 Fig. 7 Change of RF signals in wireless offset dipole |
按照测试参数及跟踪性能表制作出相应的动态控制文件[8]，由上位机程序读取该控制文件，自动控制数控衰减器数值，从而使进入无线偏馈射频链路的信号产生动态变化，综合基带接收合作目标动态信号，记录 AGC 电压随时间变化情况，图 8 (a) 为该型号任务左旋 AGC 的检后记盘数据，图 8 (b) 为仿真 AGC 的电平变化情况。由图可看出，通过无线偏馈射频信号动态控制系统较好地仿真了目标飞行过程中信号电平变化情况，可实现动态信号下设备功能的检查验证。
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图 8 左旋 AGC 及仿真 AGC 电平变化情况 Fig. 8 Compare of AGC level in some task and simulation |
本文所设计实现的无线偏馈射频信号动态控制系统，采取了软件与硬件相结合的方法，选用 STC89C52 单片机及 VJBS1122 数控衰减器作为整个系统的核心，控制偏馈射频信号的强弱，既可以实现远程设置静态衰减值以完成相关指标测试，也可读取控制文件设置动态衰减值，实现射频无线信号的动态变化，检验系统工作方式对动态信号的适应能力。该系统在数十次海上卫星测控任务准备过程中得以有效使用，提高了任务准备效率。
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