瞬时测频( IFM) 是一种基于相位比较法的频率测量方法 ,具有截获概率高、覆盖频率范围宽等优点,在现代电子战中适用于电子情报侦察、雷达告警等。采用了 IFM 的侦察接收机被称为瞬时测频接收机 ,具有结构简单 、灵敏度高 、侦查频带宽、分辨率高等优点 ,广泛应用于多种电子战设备中。

微波信号的瞬时频率测量是电子测量技术的一个重要方面 ,所涉及的被测信号是具有一定重复周期的窄脉冲微波信号, 每个脉冲的载频都是捷变的, 所以无法对信号进行多次测量积累 ,只能进行脉冲瞬时测频( IFM ),同时信号的脉宽特别窄, 要达到的测频精度与测量时间是同一数量级。

瞬时 测 频 技 术 最 早 是 在 20 世 纪 50 年 代 由M ULLARD 实验室开始发展。随后美国的 SYVACUSE大学研究中心和 STANFORD 研究院也开始研究 。早期的模拟式 IFM 通常利用波导微波元件 、行波管和阴极射线显示器来实现 , 系统体积大 , 结构复杂, 一般只用于地面设备和较大的平台上。宽波段带状线耦合器和固态砷化镓放大器的出现使微波元件的尺寸显著减小, 在 20 世纪70 ～ 80年代, 采用这种改进元件以及处理数字化的 IFM 开始出现。

随着数字技术的发展和电子元件工作频率的提高, 各种新型的瞬时测频技术不断出现, 其中数字计数式和注入锁相式被认为是两种较实用的瞬时测频技术。数字技术测频技术利用高速 ECL 电路, 通过对高速脉冲进行直接计数来实现测频。而注入锁相测频技术则利用注入振荡器将注入信号的频率信息转换成相位信息, 通过对相位量的测量实现对输入信号频率的瞬时测量 。

瞬时测频是瞬时测频接收机的核心部分, 它是基于相位比较法来实现频率的测量 。瞬时测频的核心部件是鉴相器 。一种常用的微波鉴相器 ,它由功分器、90° 电桥、检波器与差分放大器组成。假设前端天线传输至输入端 a 点的信号功率为:Ea = 2 A。经过功分器后分为 2 条支路, 一条不经过延迟线,与原信号在相位上同步,功率为 :Eb = A。

瞬时测频是基于时间延迟产生相位差来实现频率测量的 ,因此其主要误差来自于时间误差T 与相位误差。

1.时间误差T

时间误差 T 是由延迟线的物理特性所决定的。延迟线不是理想器件, 存在着实际中微波器件通常具有的一些特点, 如参数随温度 、湿度等周边环境的变化而变化的特性等 ,使得延迟线在使用过程中产生一定的偏移, 从而导致实际使用中与理想状态下的延迟时间存在误差∆T 。可以通过将延迟线放置于恒温槽中, 利用单片机进行温度控制的方法减小因环境变化而导致的时间误差。

2.相位误差

在瞬时测频中 ,相位误差∆φ的来源较多 ,主要有 : 鉴相器元件性能与与理想状态的偏差∆φ c , 因有限相位量化而导致的相位量化误差 ∆φ q , 系统内部的噪声导致的相位噪声 ∆φ N , 同时到达信号造成的信号矢量相位的偏离∆φ i 。相位误差的计算公式如下:2∆φ= ∆φ i 2 +∆φ q2 +∆φ N 2 +∆φ i2

鉴相器引起的相位误差 ∆φ c

实际工作中 ,由于使用环境的影响及器件自身工艺等原因 ,元器件特性与理想状态存在一定的差距 ,使鉴相器在信号的相位与频率相关联过程中引入了相位误差。这种误差来源于元器件自身特性及自然因素,无法完全消除, 可以通过对器件的设计、制造工艺等进行改进来减小误差 。通常情况下, 宽频带鉴相器的相位误差在 10°～ 15° 左右 ,改进后的高质量宽频带鉴相器的相位误差可小于 5° 。

相位量化引起的相位误差 ∆φ q

相位量化误差是由最小量化单位的宽度决定的 ,即相位分辨率决定误差值的大小 。相位最小单位宽度与量化的位数存在如下关系:∆φ=2π2n式中 : ∆φ为相位最小单位宽度( 也就是相位分辨率); n 为量化位数 。2 位量化下的相位分辨率为 90°, 3 位量化的相位分辨率为 45°, 4 位量化的相位分辨率为 22 . 5°。假设量化误差是均匀分布的 ,可以得到量化误差有效值 ∆φ q 与最小量化单位 ∆φ之间的关系为 :∆φq=∆φ2 3由公式计算可得 2 位量化下的量化误差达到了 ∆φ q = 25 . 98°, 3 位的量化误差减小到 ∆φ q =12 . 99°。因此可以通过提高量化数来减小相位量化误 差 , 当量化 数达到 6 时 , ∆φ=5 . 6°, ∆φ q=1 . 6°, 相对于鉴相器的相位误差已经可以忽略不计了 ,再提高量化器的比特数也就没有什么意义了 。

当量化位数到 6 后 ,最小量化单位 ∆φ与鉴相器的相位误差 ∆φ c 之间非常接近 , 易引起相位模糊 。当量化数减至 4 时 , ∆φ q = 6 . 5° , 相对于鉴相器的误差 ∆φ c 差别并不大 , 且相位分辨率放大到∆φ= 22 . 5 ° , 相对于 ∆φ q 与 ∆φ c 有很大的相位裕度 ,可有效提高测频精度 ,减少因系统硬件带来的额外误差 。在多通道组成的瞬时测频模块中 , 可通过多路鉴相器并用和采取合适的量化位数方式来改善测频 ,合适的相位分辨率能解决减小相位模糊带来的测频误差 ∆φ q 与鉴相器误差 ∆φ c 之间的矛盾 。

系统内部噪声引起的相位误差

接收机的内部噪声为高斯白噪声 , 必然会引起被测信号矢量相位起伏 ,产生相位噪声 。内部噪声电平越高 , 产生的相位噪声越大 。为抑制微波检波器和视频放大器产生的噪声 , 在接收机前端增加低噪声限幅放大器 ,可在一定程度上减小相位误差 。

同时到达信号引起的相位误差

现在电子战中电磁密度大 ,出现同时到达信号的概率相对很高 。瞬时测频接收机是一种单脉冲测量设备 ,在这种电磁环境下会产生因同时到达信号而引起的测量误差 ∆φ i 。对于瞬时测频来说 , 同时到达信号有两种情况 :( 1)2 个信号的脉冲前沿同时到达 。第 1 路信号与第 2 路信号的幅度大小比值决定了此类同时到达信号的频率测量的误差 , 当第 1 路信号的幅度远大于第 2 路信号时 ,频率误差就可以不考虑了 。当 2 个同时到达信号为连续波时 , 情况相同 ,输出频率取决于同时到达的 2 个信号的幅度比 , 当输入一路的幅度远大于另一路时 ,测频误差相对较小 。同时到达的 2 个信号之间存在一定的时间差 。( 2)当瞬时测频接收机采用多个鉴相器并联的工作方式时 ,每个鉴相器的延迟时间 T 不相等 , 频率编码所需的时间取决于并联的鉴相器中延迟时间T 最长的 1 个 。在编码过程中 , 编码电路对电平变化十分敏感 。如果在先到达的第 1 路信号编码过程中 ,第 2 路信号的脉冲前沿到达 ,叠加的信号引起鉴相器输出电平的变化 , 从而导致了编码过程中的相位误差 ∆φ i 。实验证明 , 在该条件下 , 测量所得的信号频率有可能正确 , 但是可靠性很低 。在 2 路信号重叠时 ,编码后输出频率在一定程上取决于哪个频率的信号幅度大 , 很难进行定量分析 。

近年来振荡器注定锁相( Osillators Injection-Locked)技术在空间功率合成、波束扫描和波束控制等领域得到了很大的发展 。该技术以 Van der Pol 振荡器模型为基础,主要研究注入信号和振荡器输出信号之间的相位关系 , 并建立起振荡器阵列以实现不用移相器的相控阵天线。注入锁定振荡器能有效地将注入信号的频率信息转换成相位信息 , 根据这一特点, 可用于瞬时频率测量和频率复制 , 首先利用注入锁定振荡器将窄脉冲内微波载频信号变换为低频的相位信息 , 然后根据相位推算出信号频率, 同时还可以控制振荡器输出相同频率的信号 。

注入锁定振荡器工作原理

当注入信号频率和 VCO 自由振荡频率之差在一定范围内时 , VCO 输出信号频率就等于注入信号频率, 且两者的相位差可由注入信号频率来决定。

注入锁定时间和稳定性分析

在上述分析振荡器的注入锁定现象时 , 注入信号是连续波形式, 这样振荡器才能在注入信号的作用下发生锁定现象。如果想利用振荡器的这种特性对窄脉冲的微波载频进行频率测量, 就必须对注入锁定的时间和稳定性进行分析, 讨论其最小锁定时间, 也就是说振荡器能在多长时间内被注入信号锁定 。

窄脉冲信号频率测量

整个电路由注入锁定振荡器、鉴相器 、低通滤波器、A/D 转换、存储器、D/A 转换、检波器等构成, 振荡器在单个脉冲持续时间内就能锁定,因此可以在脉冲持续时间后期对鉴相器的输出电压进行采样, 这些采样数据码就可作为注入信号频率码 。在脉冲消失后, 利用采样数据形成调谐电压控制振荡器 , 使得振荡器的输出信号频率锁定在注入信号频率上, 实现频率复制。