本发明属于雷达发射功率测量及频率自动跟踪技术领域，具体涉及一种非相参船用导航雷达发射功率测量及频率自动跟踪装置。
背景技术：
船用导航雷达主要用于海上目标的探测与跟踪，辅助船舶导航避碰，保障航行安全。
随着船舶航行环境的日益复杂，导航雷达的性能，直接关系到船舶的航行安全与船上人员的生命安危。目前船用导航雷达普遍采用磁控管作为雷达发射机的微波功率放大器件，由于磁控管的发射功率随着时间延长和运行环境影响会有所减小，如果不能及时发现，会导致雷达回波信号质量急剧下降，影响雷达回波显示效果，严重影响船只航行安全，所以功率测量，尤其是对雷达测控管的发射功率的实时监测，极有必要，此外，在有些特殊测量场合，如果可以实时获得磁控管的发射功率的信息，可以更有效的测量目标的反射截面积数值。
传统的发射功率测量方法，需要使用价格昂贵、测试复杂和体积庞大的功率探头和功率计，而且传统测量方法需要断开雷达发射机和雷达天线后，才能接入测量设备进行测量，无法实现实时测量，不能及时发现和更换老化的磁控管。
技术实现要素：
本发明需要解决的技术问题是，克服现有技术的雷达发射功率测量需要用价格昂贵、体积庞大、操作复杂的功率探头和功率计，且不能实时自检的缺陷，提供一种体积小，成本低，特别是可以直接安装于导航雷达伺服单元内，对雷达发射功率变化进行实时自检，而且可以利用雷达自带的中频放大器板，观测磁控管的功率变化的结果，有效的降低系统的复杂度、提高效率和降低成本。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：一种雷达发射功率测量及频率自动跟踪系统，其特征是，所述系统由功率耦合器、混频器、功率放大器、压控振荡器和雷达功率自动跟踪模块组成；雷达功率自动跟踪模块由频率跟踪电路，低噪声中频放大电路、带通滤波器电路，能量电压转换电路，60MHz脉冲信号产生电路和延时电路组成；雷达发射的射频信号源通过功率耦合器后，由混频器下变频为中频脉冲，混频器输出的中频脉冲进入雷达功率自动跟踪模块后分成两路，一路进入频率跟踪电路，频率跟踪电路的输出端连接所述压控振荡器，压控振荡器的输出端连接功率放大器，功率放大器的输出端连接混频器；混频器输出端的另一路连接所述低噪声中频放大电路，低噪声中频放大电路的输出端依次与带通滤波器电路、能量电压转换电路以及60MHz脉冲信号产生电路连接，60MHz脉冲信号产生电路经过延时电路输出中频脉冲信号到雷达中频放大器板；频率跟踪电路用于把接收到的雷达中频信号的频率和参考的60MHz频率进行比较，当中频频率和60MHz频率有区别时，会自动的改变频率跟踪电路的输出电 压，输出电压直接控制压控振荡器，从而会改变振荡器的输出频率，使得雷达射频信号和振荡器混频后的中频频率发生变化，只有当中频频率为60MHz时，频率跟踪电路的输出控制电压才趋于稳定。
频率跟踪电路用于监控雷达发射信号频率，通过比较混频后中频信号与60MHz参考信号得知两者的相位差。频率跟踪电路和功率放大器、压控振荡器配合可以有效补偿磁控管因为工作时间和工作环境的变化所产生的频率漂移，确保雷达中频信号锁定在60MHz。另一路中频脉冲的信号，通过低噪声放大电路和带通滤波器电路后，进入能量电压转换电路，能量电压转化电路根据中频脉冲的功率大小，产生对应的电压数值，产生的模拟电压信号控制60MHz脉冲信号产生电路的输出功率，使得中频输出功率和雷达射频信号功率成正比关系。
于此同时，功率测量及频率自动跟踪系统可以对磁控管的发射脉冲信号进行频率跟踪，改变本系统中的本地振荡器频率，补偿磁控管的频率漂移，使得下变频后的中频信号稳定在60MHz，从而可以利用雷达自带的中频放大器板，观测磁控管的功率变化的结果，这有效的降低了这个系统的复杂度。
优选方案，压控振荡器使用射频场效应管作为有源器件，选择适当的静态工作点后,射频场效应管工作于负阻状态，结合压控电容二极管的选频特性，在特定频率点满足起振条件，从而产生特定的射频振荡频率，压控振荡器的输出频率范围为9440MHz到9500MHz，输出的功率为2dBm。
优选方案，功率放大器采用共发射极拓扑结构，用于对压控振荡 器的输出功率进行放大，于此同时功率放大器作为压控振荡器和混频器之间的缓冲，可以有效地隔离由于混频器的阻抗变化所造成的压控振荡器的输出频率牵引现象，确保压控振荡器输出频率的稳定性，功率放大器从9440MHz至9500MHz频段范围内的增益为6dB。
优选方案，混频器采用单平衡结构，以实现本地振荡器端和中频输出端之间的有效隔离，而且可以有效的抑制射频回波信号和本地振荡器中的偶次谐波，减小了混频损耗，提高混频器的性能，混频器本振信号和中频信号的隔离度为40dB，混频器的混频损耗为9dB。
优选方案，所述频率跟踪电路采用鉴频器技术实现自动频率跟踪功能，鉴频电路由移相电路和混频器组成；频率跟踪电路用于监控雷达发射信号频率，通过比较混频后的中频信号与60MHz参考信号的相位差，反馈控制压控振荡器的本振频率，达到频率跟踪的目的；该混频器有两个输入端和一个输出端，当两个输入端的频率相同时，该混频器的输出为直流，其直流输出幅度和极性仅与两输入端的相位差有关；选择适当的移相电路，使得当雷达中频信号频率与参考60MHz中频一致时，通过移相电路后相位改变90度，此时混频器的输出为0V；当雷达中频信号大于或者小于参考60MHz中频时，经过移相电路后，其相位会相应减少或增加，从而在混频器输出端产生不同幅度的直流电平，起到反馈控制压控振荡器的作用。
压控振荡器，功率放大器和混频器之间通过SMA接头的射频电缆连接。混频器的输入端连接射频信号源，混频器的输出端通过SMA接头的电缆把混频后的中频信号输送到功率自动跟踪模块。最后功率自 动跟踪模块把处理好的中频脉冲信号发送到雷达中频放大器板。
优选方案，所述低噪声中频放大电路包括由两个低噪声三极管BFR183构成的沃尔漫电路，并且调整沃尔漫电路的静态工作点使得偏置电流为10mA，偏置电流调整允许的偏差为10微安级。
为了更好的测量雷达中频功率，需要最小化电路的噪声系统，本设计中选用了英飞凌公司的BFR183宽带低噪声三极管作为放大管。使用沃尔漫电路可以有效减少低噪声中频放大器输入端的密勒效应，提高低噪声中频放大器的带宽。偏置电流约为10mA，这时使噪声系数最小，使得测量的结果更加精确。雷达中频信号通过低噪声放大器后再滤波后进入能量电压转换电路，
优选方案，带通滤波器电路为一个3阶的巴特沃斯滤波器，由高通和低通串联而成，两者复盖的通带提供了一个带通的特性；巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，而在阻频带则逐渐下降为零，三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频18分贝。
优选方案，能量电压转化电路的输入端连接带通滤波器电路，能量电压转化电路设有功率传感器，可把中频脉冲的频谱能量正比的转化为电压数值，能量电压转换电路用于把雷达中频脉冲的能量转换成电压，其能量和电压间的转换效率高，转换时间短，转化后的直流控制电压可以控制60MHz脉冲信号产生电路的输出功率，实现当磁控管发射功率变化时，60MHz脉冲信号产生电路的输出功率作相应的线性变化。
优选方案，所述60MHz脉冲信号产生电路基于一个频率稳定的60MHz有源晶振，有源晶振的输出经过滤波器滤除多次谐波分量，产生更加纯净的60MHz脉冲信号；60MHz脉冲信号再经过一个基于共基极放大器，共基极放大器的基极偏置受控于能量电压转化电路的输出直流电平，从而实现能量电压转化电路对60MHz脉冲信号的输出功率的控制，此后60MHz脉冲信号再经过一个开关调制产生中频脉冲信号，60MHz中频脉冲信号通过输出端送到雷达中频放大器。
优选方案，所述60MHz脉冲信号产生电路的输出端连接延时电路，开关调制产生中频脉冲信号的导通时序受到延时电路的控制，所产生的60MHz脉冲信号通过延时电路再输送至雷达中频放大器板；由于60MHz脉冲信号和雷达发射的脉冲信号都经过雷达中频放大器板，为了有效地避免雷达近处强回波和60MHz脉冲信号产生电路的输出的信号叠加现象对测量的精度造成影响，所以通过延时电路对60MHz脉冲信号产生电路的输出进行了延时，使60MHz脉冲信号和雷达发射的脉冲信号经过雷达中频放大器板的时间相互错开。
本发明的有益效果是：
1、设有频率跟踪电路，有效补偿磁控管因为工作时间和工作环境的变化所产生的频率漂移，确保雷达中频信号锁定在60MHz；
2、系统可以直接安装于导航雷达伺服单元内，使用射频信号源替代导航雷达发射机，所以无需断开发射机和天线就可对雷达发射功率变化进行实时自检；
3、可以兼用雷达自带的中频放大器板，观测磁控管功率变化的 结果，降低系统的复杂度和成本；
4、体积小，成本低，能够取代现有技术的价格高昂的探头；
5、利用60MHz有源晶振，频率稳定，并经过滤波器滤除多次谐波分量，产生更加纯净的60MHz脉冲信号；
6、应用3阶的巴特沃斯滤波器，频率响应曲线最大限度平坦；
7、延时电路把60Mhz脉冲信号延时一段时间后输出到雷达中频放大器板，避免雷达回波影响测量结果的准确性，抗干扰；
8、低噪声中频放大电路包括由两个低噪声三极管BFR183构成的沃尔漫电路，减少低噪声中频放大器输入端的密勒效应，提高低噪声中频放大器的带宽。
附图说明
附图1是本发明一种实施例的雷达发射功率测量及频率自动跟踪系统框图。
图1中，功率耦合器1；混频器2；混频器输出的中频脉冲21；功率放大器3；压控振荡器4；雷达功率自动跟踪模块5；频率跟踪电路51；输出控制电压511；低噪声中频放大电路52；带通滤波器电路53；能量电压转换电路54；60MHz脉冲信号产生电路55；延时电路56；中频脉冲信号57；雷达发射的射频信号源6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步描述。
实施例：如附图所示，一种雷达发射功率测量及频率自动跟踪系统，该系统由功率耦合器1、混频器2、功率放大器3、压控振荡器4和雷达功率自动跟踪模块5组成；雷达功率自动跟踪模块5由频率跟踪电路51，低噪声中频放大电路52、带通滤波器电路53，能量电压转换电路54，60MHz脉冲信号产生电路55和延时电路56组成；雷达发射的射频信号源6通过功率耦合器1后，由混频器2下变频为中频脉冲，混频器输出的中频脉冲21进入雷达功率自动跟踪模块5后分成两路，一路进入频率跟踪电路51，频率跟踪电路51的输出端连接压控振荡器4，压控振荡器4的输出端连接功率放大器3，功率放大器3的输出端连接混频器2；混频器2输出端的另一路连接所述低噪声中频放大电路52，低噪声中频放大电路52的输出端依次与带通滤波器电路53、能量电压转换电路54以及60MHz脉冲信号产生电路55连接，60MHz脉冲信号产生电路55经过延时电路56输出中频脉冲信号57到雷达中频放大器板；频率跟踪电路51用于把接收到的雷达中频信号的频率和参考的60MHz频率进行比较，当中频频率和60MHz频率有区别时，会自动地改变频率跟踪电路51的输出控制电压511，输出控制电压511直接控制压控振荡器4，从而会改变振荡器的输出频率，使得雷达射频信号和振荡器混频后的中频频率发生变化，只有当中频频率为60MHz时，频率跟踪电路51的输出控制电压511才趋于稳定。
发射功率自动跟踪模块5是实现磁控管发射功率变化测量和频率跟踪的核心模块。
压控振荡器4使用射频场效应管作为有源器件，选择适当的静态工作点后,射频场效应管工作于负阻状态，结合压控电容二极管的选频特性，在特定频率点满足起振条件，从而产生特定的射频振荡频率，压控振荡器4的输出频率范围为9440MHz到9500MHz，输出的功率为2dBm。
功率放大器3采用共发射极拓扑结构，用于对压控振荡器4的输出功率进行放大，于此同时功率放大器3作为压控振荡器4和混频器2之间的缓冲，可以有效地隔离由于混频器2的阻抗变化所造成的压控振荡器4的输出频率牵引现象，确保压控振荡器4输出频率的稳定性，功率放大器3从9440MHz至9500MHz频段范围内的增益为6dB。
混频器2采用单平衡结构，以实现本地振荡器端和中频输出端之间的有效隔离，而且可以有效的抑制射频回波信号和本地振荡器中的偶次谐波，减小了混频损耗，提高混频器的性能，混频器2本振信号和中频信号的隔离度为40dB，混频器2的混频损耗为9dB。
频率跟踪电路51采用鉴频器技术实现自动频率跟踪功能，鉴频电路由移相电路和混频器组成；频率跟踪电路51用于监控雷达发射信号频率，通过比较混频后的中频信号与60MHz参考信号的相位差，反馈控制压控振荡器4的本振频率，达到频率跟踪的目的；该混频器有两个输入端和一个输出端，当两个输入端的频率相同时，该混频器的输出为直流，其直流输出幅度和极性仅与两输入端的相位差有关；选择适当的移相电路，使得当雷达中频信号频率与参考60MHz中频一致时，通过移相电路后相位改变90度，此时该混频器的输出为0V； 当雷达中频信号大于或者小于参考60MHz中频时，经过移相电路后，其相位会相应减少或增加，从而在混频器输出端产生不同幅度的直流电平，起到反馈控制压控振荡器4的作用。
低噪声中频放大电路52包括由两个低噪声三极管BFR183构成的沃尔漫电路，并且调整沃尔漫电路的静态工作点使得偏置电流为10mA，偏置电流调整允许的偏差取10微安级。
带通滤波器电路53为一个3阶的巴特沃斯滤波器，由高通和低通串联而成，两者复盖的通带提供了一个带通的特性；巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，而在阻频带则逐渐下降为零，三阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频18分贝。
能量电压转化电路54的输入端连接带通滤波器电路53，能量电压转化电路54设有功率传感器，可把中频脉冲的频谱能量正比地转化为电压数值，能量电压转换电路54用于把雷达中频脉冲的能量转换成电压，其能量和电压间的转换效率高，转换时间短，转化后的直流控制电压可以控制60MHz脉冲信号产生电路的输出功率，实现当磁控管发射功率变化时，60MHz脉冲信号产生电路的输出功率作相应的线性变化。于此同时能量电压转化电路54在首次使用雷达发射功率测量及频率自动跟踪系统测量雷达磁控管发射功率时要进行校准标定，使得首次使用时磁控管所测量到的功率为能量转换电压输出的最大值，
60MHz脉冲信号产生电路基于一个频率稳定的60MHz有源晶振， 有源晶振的输出经过滤波器滤除多次谐波分量，产生更加纯净的60MHz脉冲信号；60MHz脉冲信号再经过一个基于共基极放大器，共基极放大器的基极偏置受控于能量电压转化电路54的输出直流电平，从而实现能量电压转化电路54对60MHz脉冲信号的输出功率的控制，此后60MHz脉冲信号再经过一个开关调制产生中频脉冲信号，60MHz中频脉冲信号通过输出端送到雷达中频放大器。
60MHz脉冲信号产生电路55的输出端连接延时电路56，开关调制产生中频脉冲信号的导通时序受到延时电路的控制，所产生的60MHz脉冲信号通过延时电路56再输送至雷达中频放大器板；由于60MHz脉冲信号和雷达发射的脉冲信号都经过雷达中频放大器板，为了有效地避免雷达近处强回波和60MHz脉冲信号产生电路55的输出的信号叠加现象对测量的精度造成影响，所以通过延时电路56对60MHz脉冲信号产生电路55的输出进行了延时，使60MHz脉冲信号和雷达发射的脉冲信号经过雷达中频放大器板的时间相互错开。
上述压控振荡器4、功率放大器3和混频器2之间通过SMA接头的射频电缆连接。混频器2的输入端连接射频信号源，混频器2的输出端通过SMA接头的电缆把混频后的中频信号输送到功率自动跟踪模块5。
本系统使用射频信号源替代导航雷达发射机，发射射频脉冲信号，进入射频输入端，然后与压控振荡器4产生的本地振荡器信号进行混频后，下变频为中频脉冲信号。与传统的测试方式不同，本系统无需断开发射机和天线就可对雷达发射功率变化进行实时自检。中频信号 由混频器2的中频输出端接入雷达功率自动跟踪模块5，雷达功率自动跟踪模块5上的频率跟踪电路51会把接收到的中频频率和60MHz参考频率进行相位比较，如果两者的相位差不为90度时，雷达功率自动跟踪模块会根据相位相差多少，对应产生一个直流控制电平，这个直流控制电平会控制压控振荡器4的可变电容的控制电压，从而改变压控振荡器4的频率选择性，使得压控振荡器4输出的频率发生改变，改变后的频率和雷达射频频率混频后，产生新的中频频率，由于频率跟踪电路中的相位比较电路经过精心的设计，只有当收到的中频信号为60MHz时，中频频率和60MHz参考频率之间的相位差值才为90度，这时频率跟踪电路的输出电压值才会保持不变，雷达中频频率才会被稳定在60MHz上。
雷达中频回波信号通过雷达功率自动跟踪模块5的低噪声中频放大电路52，低噪声中频放大电路52基于由两个低噪声三极管BFR183构成的沃尔漫电路，使用沃尔漫电路可以有效减少低噪声中频放大器输入端的密勒效应，提高低噪声中频放大电路52的带宽。适当选择沃尔漫电路的静态工作点，使得偏置的电流约为10mA，这时使噪声系数最小。低噪声中频放大电路52可以有效的减小系统的噪声系数，使得测量的结果更加精确。通过低噪声中频放大电路52后，中频信号再经过一个3阶的巴特沃斯滤波器后，进入能量电压转化电路54。能量电压转化电路54能把中频脉冲的频谱能量正比的转化为电压数值。于此同时能量电压转化电路54在首次使用雷达发射功率测量及频率自动跟踪系统测量雷达磁控管发射功率时要进行校 准，使得首次使用时磁控管所测量到的功率为能量转换电压输出的最大值，随着磁控管使用时间的加长，磁控管的发射功率逐渐下降，这时中频脉冲的频谱能量也会相应减小，导致对应输出的电压值也降低。如上所述，60MHz脉冲信号产生电路55基于一个频率稳定的60MHz有源晶振，有源晶振的输出经过滤波滤除多次谐波分量，产生更加纯净的60MHz中频信号。60MHz中频脉冲信号再经过一个基于共基极的放大器，共基极的放大器的基极偏置受控于能量电压转化电路的输出直流电平，从而实现了能量电压转化电路54对60MHz中频信号的输出功率的控制。此后60MHz中频信号再经过一个开关调制产生中频脉冲信号，开关调制的导通时序受到延时电路56的控制，从而可以产生所需延时的60MHz中频脉冲信号。最后60MHz中频脉冲信号通过输出端送到雷达中频放大器。
本系统装置经实测，当发射功率为-10dBm，经过雷达发射功率测量及频率自动跟踪系统和雷达中频放大器后的输出波形(示波器幅度分辨率为500mV/div)，由示波器显示图可知，当发射功率为-10dBm时，雷达中频放大器的输出视频幅度约为1.3V。
当发射功率为-20dBm，经过雷达发射功率测量及频率自动跟踪系统和雷达中频放大器后的输出波形(示波器幅度分辨率为200mV/div)，由示波器显示图可知，雷达中频放大器的输出视频幅度为0.4V。两次发射功率相差10dB，根据中频放大器后的输出波形幅度计算功率变化为＝10.23dB。两者结果基本保持一致。
由此可知，雷达发射功率测量及频率自动跟踪系统可以有效的测量雷达发射功率的变化，可以作为采用昂贵，体积庞大的功率探头和功率计测量雷达发射功率的一种廉价替代方案，实时监控雷达发射功率变化，提醒用户及时更换磁控管。于此同时雷达发射功率测量及频率自动跟踪系统结构简单，设备体积小，可以直接集成在雷达齿轮箱内，由于采用频率跟踪技术，可以使得混频后的中频信号稳定在60MHz，这就可以利用导航雷达本身的中频放大器板，直接观测测试结果，这进一步降低了系统的复杂性。
本发明雷达发射功率测量及频率自动跟踪系统，具有可对雷达发射功率变化进行实时自检，能有效补偿磁控管因为工作时间和工作环境的变化所产生的频率漂移，且体积小，成本低的优点。本领域的技术人员如果对上述发明内容作简单的修改或替换，这样的改变不能认为是脱离本发明的范围，所有这样对所属领域的技术人员显而易见的修改将包括在本发明的权利要求的范围之内。