雷达自动频率控制系统的设计

汪叶拾

摘　要：论述了毫米波雷达自动频率微调系统设计的方法，及如何保证自动频率控制系统达到设计要求，着重讨论了自动频率微调系统的控制电路、振荡器(VCO)等设计的特点．
关键词：自动频率微调(AFC)；　压控振荡器(VCO)；　鉴频器
分类号：TN957．5 文献标识码：A
文章编号：1000-5889（2000）01-0086-04

Design procedure of automatic frequency control system of radar

WANG Ye-shi
(Changfeng Machine Factory, Lanzhou　730070, China)

Abstract：The design procedure of automatic frequency control (AFC) system of millimeter-wave radar and how to guarantee as design specifications are discussed. The design features of control circuit and volume control oscillator (VCO) of AFC system are taken as the discussion emphasis. The result shows that, by using searching-tracing AFC system, the frequency sieze region can be expanded and the frequency tracing accuracy improved.
Key words：automatic frequency control; volume control oscillator; frequency detector称呼后缀▲

雷达的发射机磁控管及本振频率稳定性不高，随着外界条件的变化而变化，因而经过混频后的中频信号的频率也随着变化．由于雷达接收机的频率带宽有限，这样就会导致中频落在系统的中频放大器最佳通频带之外，使中频增益下降，接收机灵敏度降低．为了保证混频后的中频不变，必须采用自动频率微调系统来保证接收机正常工作．对于毫米波雷达其工作频率很高，频率变化的数值更大，对AFC系统要求频率控制范围大，跟踪精度高，因而系统的设计有很大的难度．本AFC系统采用先进的搜索跟踪式系统，克服了跟踪式AFC系统的跟踪速度慢，跟踪范围窄的缺点．同时采用的压控振荡器(VCO)为注锁放大式(一级VCO与一级注锁放大器级联)，具有体积小，输出功率大且平稳，温度稳定性好的特点，这些特点使始祖鸟化石AFC控制电路比较好实现．

1　AFC系统的设计要求

太原战役1) 频率跟踪精度高，即剩余失谐fε小．
2）频率跟踪范围要大，跟踪速度要快，即在发射信号频率fs和本振频率ft的可能变化范围(Δfs＋蓝鲸紧急出动Δft）内，应该能够跟踪得上其频率变化的速度，以保证正确的频率跟踪．
3）频率搜索范围要大，搜索速度要快．即频率搜索范围应大于发射信号频率和本振的可能变化范围(Δfs＋Δft），而且搜索时间应该小于允许的最大搜索时间．

2　AFC系统的设计

2.1　AFC系统的原理
为了满足AFC系统的要求，采用的差频搜索式AFC系统，通过调整VCO的频率，来保证中频频率稳定．本系统采用低差式混频，即发射信号的频率大于本振频率一个中频．当无发射信号fs或者中频fs－ft＝fi大于鉴频器通频带与额定中频之和时，电路处于搜索状态，输出的锯齿波加到VCO上，使VCO频率进行搜索．当VCO由低向高搜索，而中频由高向低变化，在大于额定中频fi0时(见图1 A点)，鉴频器输出正电压通过视放倒相，产生一个负脉冲，由于不能使峰值检波器工作，搜索振荡继续进行．当VCO频率与信号频率之间的差频小于额定中频fi0时(见图1 B点)，鉴频器输出负脉冲经视放倒相，使峰值检波器导通，该电压使锯齿波振荡器停振并保持其电位，也使VCO保持此电位，AFC进入跟踪状态．在跟踪状态，当本振或发射机的频率变化时，鉴频器输出幅度变化，通过峰值检波器反映到搜索振荡器的电位随之变化，反馈到VCO，使VCO的振荡频率进行调整，保证中频频率不变，此时系统处于跟踪状态．当fs与ft的差值超出了鉴频器通频带时，峰值检波器无输出，进入搜索状态．

图1　鉴频曲线及控制曲线

2．2　AFC系统的结构
图2为AFC系统的原理方框图，AFC系统由高频部分和控制部分组成，高频部分包括混频器、VCO，控制部分由中放、鉴频器、视放、锯齿波振荡器组成，它是一个闭环系统．本振信号与发射机信号通过混频器产生中频，产生的中频通过控制部分，根据差频fi偏离额定中频fi0的大小与方向，产生出相应的控制电压，加入到VCO，调整VCO的频率，使中频接近额定中频．

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图2　AFC系统方框图

2.3　AFC控制电路的设计
AFC控制电路由中放、鉴频器、视放及频率搜索电路组成．
1）　中放电路和AGC控制电路：由于混频器的输出功率比较小，而使鉴频器正常工作的输入信号应大于2 V，因此必须将中频信号进行放大，一般输入信号在200 mV左右，加上1～2倍增益余量，因而中频增益为40 dB．中放的带宽取决于信号的脉冲宽度，设脉冲宽度为τ，则中放的带宽为B＝1．5／τ［1］乙醇偶合制备C4烯烃．用两级谐振放大器即可满足条件．为了保证鉴频器输入信号不因中频信号的幅度变化而变化，放大管工作在饱和状态，使鉴频器输出的误差信号电压只与中频频率的变化有关．但信号过大，中频放大器会发生饱和限幅，而产生谐波的错误控制，所以增加了自动增益控制电路(AGC电路)．通过交流旁路控制输入信号的幅度．
2) 鉴频器：鉴频器作为整个系统的核心，系统的跟踪精度及跟踪范围都取决于鉴频器的设计．
为了提高鉴频器的效率并满足参数要求，本鉴频器采用了参差调谐式以适应工作频率高、鉴频器带宽较宽的要求．同时又能得到较大的鉴频系数，使系统的跟踪精度满足要求．
3) 视放：视放的增益影响到系统的跟踪精度，为了保证跟踪精度，视放的增益应尽量大，但增益太大，系统的稳定性变差．适当的选择参数设计出一宽带放大器，一般取一级放大即可．
4）　搜索电压产生器及停振器：搜索电压产生器是由一双基极二级管产生，利用其负阻特性来产生锯齿波电压，并加到VCO上进行频率搜索．如图3所示．

图3　搜索电压产生器及停振器

二级管VD1、电容C1和晶体管T1组成峰值鉴波器，同时T1还作为停振器及直流放大器．T2，Rt和Ct组成锯齿波产生器，为了使频率跟踪精度高，要求锯齿波线性好，采用恒流源对电容充电，恒流源由T3，VD1和Rt组成(见图3)．
确定锯齿波电压的周期和幅度：
为了使AFC系统能由频率搜索状态转为频率跟踪状态，在鉴频器通频带B之内至少应能搜索到n0个脉冲(一般n0＝6～15），否则由于峰值检波器的惰性，检波电压将很小．已知发射信号的重复频率为1／T，而锯齿波电压的扫掠时间ts＜T，确定的频率搜索范围为fm，则

锯齿电压的扫掠时间ts加上锯齿电压的回程时间(一般小于0．1　ts），这就是锯齿波的重复周期．
搜索电压的幅度(即范围)不能同时包含本振的镜像．已知VCO的斜率，就能计算出锯齿波的幅度．
2．4　VCO及混频器
VCO的初始温漂、温漂，及在机械调谐范围内功率的平坦度在系统中要求比较高．首先要求VCO的初始温漂、温漂之和不大于VCO的电调带宽，以保证AFC搜索时能捕捉到本振频率．考虑到发射机磁控管开机频漂及温度漂移，要求VCO的初始漂移及温度漂移与发射机同方向，大小尽可能接近．同时采用PTC材料对本振进行加热，产生简单的恒温，使本振温漂减小．但这种方法无法改善初始温漂，考虑到VCO的耿氏管偏压变化时，将产生推频，利用这一特性，对耿氏管开机时的电压进行自动控制，使在开机时其电源电压值的变化产生的推频与初始温漂方向相反，从而使初漂得到改善．VCO用体效应管作为振荡器．为了提高输出功率和频率的稳定度，采用注锁放大级联的方案，若用大功率体效应管，则电流也大，其温度稳定性就差，初漂、温漂都大，且在要求的频率带宽内功率起伏比较大．如果采用注锁放大级联方式，就可用较小功率的耿氏管，使VCO的初漂和温漂性能有所改善．同时增加校正网络，改善输出信号的频率线性．
注锁放大器的原理（见图4）为：振荡器1是一个稳定性较高的小功率耿式管振荡器，其频率为fh场景模拟器阅读1-151；振荡器2是一个功率较大的振荡器，其频率为f2．振荡器1通过环行器把少量的功率注入振荡器2，只要f1和f2之差小于一定数值，则振荡器2接收到的振荡器1的频率牵引在f1上，并具有振荡器1的稳定度．

图4　VCO的原理

由于AFC系统的混频器可以不考虑本振噪声的影响，主要考虑混频器不过载与减小谐波混频成分．为了减小谐波混频成分，要正确选择本振功率及信号功率，加到混频器的信号功率Ps和本振功率Pt相差大一些，则在较弱的那个信号的变化范围内变频互导可以看成是一个常数，因而由混频器产生的谐波成分就小［1］．
以上对整个AFC系统作了分析，随着元器件的高度集成化，AFC的控制电路会更简单，体积更小，跟踪精度更高．

3　结论

1) 采用搜索跟踪式AFC系统，可以增加频率捕捉范围，提高频率跟踪精度．
2）　对VCO的设计，使本振频率的稳定性更高，整个系统的温度稳定性也得到改善．
3）　以上AFC系统用在雷达上，其性能、温度稳定性、频率跟踪带宽很好地满足了雷达整机的要求．■

作者简介：汪叶拾(1963-)，女，安徽歙县人，兰州长风机械厂工程师．
作者单位：汪叶拾（兰州长风机器厂，甘肃兰州　730070）

参考文献：

［1］西北电讯工程学院编写组．雷达接收设备：下册．西安：西安西北电讯工程学院出版社，1974.124-231．

收稿日期：1999-06-08

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