一種寬頻帶超短波校正源的分析與設(shè)計

0    引言

多通道干涉儀測向體制的測向精度與多通道接收機的輸出信號間的相位差有關(guān)[1-3]，其對測向接收機的各通道幅度一致性、相位一致性有嚴格的要求，因此測向系統(tǒng)需要通過校正信號源校正相位失配。而在30MHz~3000MHz頻段的校正源電路中，多個射頻濾波器的級聯(lián)引來電路梳狀譜的幅度波動，其成為校正源設(shè)計時不能忽視的因素。然而目前尚無有完整的文獻報道有關(guān)的預測方法，基于此，本文提出并建立了一種校正源仿真電路模型，該模型根據(jù)組件特點分別建立相應(yīng)的組件模型，著重分析了校正源的電路阻抗、輸出幅頻特性等性能，對于校正源的設(shè)計具有一定的指導意義。

1   寬頻帶超短波校正源電路模型

寬頻帶超短波校正源的電路模型由梳狀譜激勵源、20 MHz帶寬的帶通濾波器、衰減器、射頻放大器、第一混頻器、一中放大器、一中濾波器、第二混頻器、二中放大器、二中濾波器等組成，如圖1所示。校正源的工作原理為，梳狀譜源作為校正源的激勵輸入，其載波中心頻率為100 MHz，該信號先通過一個中心頻率為100 MHz、帶寬為20 MHz的LC濾波器進行濾波整形，得到帶寬為20 MHz的梳狀譜激勵信號。整形后的梳狀譜信號依次經(jīng)過IF2放大器、IF2濾波器，由IF2混頻器上頻變至第二中頻5.6 GHz，為彌補混頻器帶來的變頻損耗，此時信號需要由IF1放大器放大幅度，進入IF1濾波器濾除帶外諧波；最后由IF1混頻器變頻至(30 ~ 3 000) MHz射頻輸出，并由(30 ~ 3 000) MHz的寬帶放大器放大輸出幅度滿足指標要求，該梳狀譜送入測向天線進行幅度相位校正。

圖1 校正源電路模型

2   寬頻帶超短波校正源仿真

2.1 組件模型

根據(jù)上述校正源電路模型采用ADS仿真軟件進行電路仿真，為了提高電路仿真的準確度，需要首先建立電路中各個組件的仿真模型。根據(jù)組件的種類不同，建立組件仿真模型方法主要分類兩大類：無源S參數(shù)模型和有源PA模型。其中，電路中的各級濾波器主要采用無源S參數(shù)模型法，該方法采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試濾波器的S參數(shù)，將該S參數(shù)建立相應(yīng)濾波器的仿真模型；而電路中的各級放大器則采用有源PA模型法，結(jié)合放大器P-1這個重要參數(shù)研究所選放大器是否能實現(xiàn)對梳狀譜的放大器。

對于梳狀譜源，可采用階躍二極管來產(chǎn)生[4-5]，文中采用開關(guān)調(diào)制的方法。由方波的傅里葉級數(shù)描述可知，其由無數(shù)奇次諧波分量組成，見式（1），故可使用頻率為100 kHz的方波對100 MHz信號進行開關(guān)調(diào)制產(chǎn)生梳狀譜源，譜線間隔為200 kHz，其在20 MHz范圍內(nèi)共有100根譜線，

（1）

2.2 校正源電路仿真

對梳狀譜源仿真，得到幅頻特性如圖2所示，圖2中單根譜線的輸出不小于-53 dBm，單根譜線的最大輸出為-46 dBm，后續(xù)電路需要對該梳狀譜進行幅度放大。

圖2 激勵源幅頻特性

得到梳狀譜波形后，該梳狀譜先通過切比雪夫響應(yīng)的LC集中濾波器，進行濾波整形，再由增益為15 dB，P-1為18 dBm的射頻放大器對梳妝譜幅度放大，仿真得到的梳狀譜幅頻特性如圖3所示，從圖3可知，單根梳狀譜線分別獲得15 dB的增益，仿真表明該放大器并未因100根梳狀譜線的功率輸出而出現(xiàn)飽和。

圖3 經(jīng)濾波放大后的梳狀譜

第一次混頻，變頻損耗為-8 dB，輸出的一中頻率為5.6 GHz，相應(yīng)幅度仿真計算得到為-40 dBm，與預期計算相吻合，如圖4所示。圖4表明當該梳狀譜通過介質(zhì)濾波器的物理模型后，梳狀譜帶內(nèi)呈現(xiàn)較大幅度的波動，這是原理論計算所沒有預測到的，也表明了對校正源電路仿真的必要性。為此，需要修改校正源電路仿真模型，通過加入阻抗匹配來改善帶內(nèi)波動。

圖4 一中頻的幅頻特性

對于梳狀譜信號，因其對電路的駐波比較為敏感，文中電路中引入5 dB的T型衰減網(wǎng)絡(luò)以改善帶內(nèi)波動特性。T型衰減網(wǎng)絡(luò)的計算公式如下：

（2）

（3）

其中，N=U1/U2，U1、U2分別為T型衰減網(wǎng)絡(luò)兩側(cè)的電壓，Zc為特征阻抗。

從式（2）、（3）計算可知，R1、R2分別為15Ω和82Ω，在濾波器IF1前端加入調(diào)理電路。圖1所示的電路仿真模型更新為圖5所示。

圖5 校正源仿真電路

經(jīng)調(diào)理該梳妝譜信號進入一中頻混頻器，有5.6 GHz的梳狀譜搬移至(30 ~ 3 000) MHz頻段內(nèi)放大輸出。

3   寬帶超短波校正源測試

按照上述仿真電路確定的電路參數(shù)，實際設(shè)計、加工了一種寬帶超短波梳狀譜源，并實際測試了校正源的電路指標，結(jié)果如圖6、圖7所示。

從圖6可知，中心頻率為150 MHz的梳狀譜工作帶寬不小于20 MHz，帶內(nèi)波動小于3 dB，具有較好地幅度一致性。

圖6 梳狀譜實測

從圖7可知，該校正源的單根譜線153 MHz的在頻偏10 kHz處的相位噪聲為-103 dBc/Hz，相噪指標良好。

該校正源的帶內(nèi)波動較為平坦，且在工作頻段內(nèi)具有良好的相位噪聲，能夠保證超短波測向接收設(shè)備在整個工作帶寬內(nèi)穩(wěn)定可靠的工作。

圖7 相位噪聲實測

4   結(jié)論

校正源的設(shè)計中，采用仿真驅(qū)動設(shè)計思路，整個工程實踐劃分為電路仿真階段、電路實現(xiàn)階段和校正源調(diào)試階段等三個階段。該思路采用實測的元器件參數(shù)作為組件模型，從而建立校正源仿真電路模型，在仿真階段驗證了電路電路的可行性及其性能指標，提前釋放了設(shè)計風險，順利推進電路實現(xiàn)階段和校正源調(diào)試階段。采用該方法設(shè)計的校正源已應(yīng)用在多個工程中。

參考文獻：

[1] 羅賢欣, 劉光斌, 王忠. 干涉儀測向技術(shù)研究[J].艦船電子工程,2012,32(8):74-76.

[2] 王克讓, 李娟慧, 朱曉丹, 等. 提高相位干涉儀測角精度新方法[J].航天電子對抗,2017,33(4):7-10.

[3] 王鼎, 李長勝, 吳瑛. 均勻圓陣互耦和幅相差有源校正分離迭代算法[J]. 探測與控制學報, 2009,31(1):64-69.

[4] 聶楊, 喻志遠. 基于階躍二極管的平面結(jié)構(gòu)梳狀譜發(fā)生器設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2009,32(12):7-8.

[5] 饒睿楠, 李輝, 王棟. 0.1~5GHz 梳狀譜發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].火控雷達技術(shù),2011, 40(1):76-77.

作者簡介：姜楊（1986—），男，工程師，碩士，研究方向為無線通信系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2020年12月期）