射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真專用毫米波變頻組件設(shè)計(jì)?

張興利，馬逸超，吳自祿（1.航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽471009；2.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471009）

射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真專用毫米波變頻組件設(shè)計(jì)?

張興利1，2，馬逸超1，2，吳自祿1，2
（1.航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽471009；2.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471009）

為了擴(kuò)展射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的工作頻帶，設(shè)計(jì)了一種半實(shí)物仿真專用變頻組件，采用具有公共參考源的二次變頻方案。關(guān)鍵器件包括微波鎖相倍頻源、微波基波和諧波混頻器、毫米波放大器。經(jīng)測(cè)試，該組件幅度和相位的穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)范圍大，頻譜特性好，能滿足仿真應(yīng)用需求。關(guān)鍵詞：導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)；半實(shí)物仿真；毫米波；變頻組件

1 引言

射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)能夠模擬導(dǎo)彈在空中飛行過程中的姿態(tài)、位置變化，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波信號(hào)的距離延遲、幅度和多普勒頻率以及角位置關(guān)系等特征的復(fù)現(xiàn)［1］，用于評(píng)估導(dǎo)彈在攻擊目標(biāo)過程中制導(dǎo)系統(tǒng)的性能及其抗干擾能力。隨著導(dǎo)彈系統(tǒng)復(fù)雜度日益提高，半實(shí)物仿真在導(dǎo)彈研制過程中發(fā)揮的作用也更加重要，其在導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)性能評(píng)估、系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試與驗(yàn)證、飛行試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)與故障復(fù)現(xiàn)等方面有著不可替代的作用。

毫米波導(dǎo)引頭在導(dǎo)彈制導(dǎo)方面得到了廣泛應(yīng)用，并顯示出很強(qiáng)的發(fā)展勢(shì)頭［2］。鑒于半實(shí)物仿真技術(shù)在導(dǎo)彈研制中發(fā)揮著不可替代的作用，因此開展毫米波制導(dǎo)半實(shí)物仿真技術(shù)研究意義重大。但是新建毫米波目標(biāo)仿真設(shè)備經(jīng)費(fèi)投入巨大，建設(shè)周期也較長(zhǎng)。如果在現(xiàn)有仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造，使之可以適應(yīng)多種型號(hào)、多個(gè)頻段的導(dǎo)彈仿真需求，不但最大限度地利用了現(xiàn)有仿真系統(tǒng)，而且節(jié)約了大量時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，意義重大。為此，開展仿真專用毫米波變頻組件設(shè)計(jì)和研制具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

由于半實(shí)物仿真系統(tǒng)中陣列式射頻目標(biāo)模擬器對(duì)信號(hào)的幅相穩(wěn)定性要求較高，且仿真過程中幅度動(dòng)態(tài)范圍較大，因此仿真專用毫米波變頻組件的特點(diǎn)是要在進(jìn)行毫米波和微波頻段上下變頻的同時(shí)保持各通道信號(hào)的相參性、幅相穩(wěn)定性以及大的動(dòng)態(tài)范圍。

2 變頻組件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

毫米波上下變頻組件與現(xiàn)有的微波頻段仿真設(shè)備構(gòu)成一套變頻式毫米波目標(biāo)模擬系統(tǒng)，由下變頻組件將導(dǎo)引頭產(chǎn)生的毫米波信號(hào)變頻至微波頻段，然后利用現(xiàn)有的微波頻段半實(shí)物仿真設(shè)備（包括信號(hào)源、饋電、開關(guān)等）對(duì)其進(jìn)行處理，處理后輸出至上變頻組件，上變頻至毫米波頻段，輸出至天線，完成毫米波仿真信號(hào)處理過程的原理試驗(yàn)。采用變頻組件的目標(biāo)模擬系統(tǒng)如圖1所示。

上變頻和下變頻的工作原理基本相同，都是利用非線性元件的頻率變換作用，只是兩者工作過程剛好相反，因此本文重點(diǎn)論述上變頻器。

2.2 方案設(shè)計(jì)與選擇

仿真專用毫米波變頻組件的任務(wù)是將原微波頻段目標(biāo)模擬器處理后的微波頻段信號(hào)擴(kuò)展到毫米波頻段，同時(shí)保持各通道信號(hào)的相參性。上變頻方式有直接倍頻、一次變頻和二次變頻方案等設(shè)計(jì)思路。

在直接倍頻方案中，由于倍頻器輸出的信號(hào)功率很難滿足動(dòng)態(tài)范圍要求，所以要用毫米波放大器對(duì)毫米波信號(hào)功率進(jìn)行補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)高的動(dòng)態(tài)，勢(shì)必造成系統(tǒng)組成復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難，因此放棄直接倍頻方案。

在一次變頻方案中，從微波頻段直接變頻至毫米波頻段，可以采用低本振和高本振兩種變頻方式。但由于采用高本振方式不但難度非常大，而且目前國內(nèi)不具備該頻段器件的生產(chǎn)和測(cè)試能力，所以只有低本振方案有一定合理性。但是低本振方案存在著中頻過高的問題，中頻信號(hào)與本振頻率非常接近，LO／IF隔離度無法保證，同時(shí)三階交調(diào)非常嚴(yán)重，可見該系統(tǒng)方案不可行。

因此綜合考慮動(dòng)態(tài)范圍、高中頻上變頻、各通道相參性等因素，最終決定采用使用公共參考源的二次變頻方案。

該方案中先將微波頻段信號(hào)混頻至S頻段，濾波放大后，經(jīng)過毫米波諧波混頻器將其上變頻到毫米波頻段，這樣可以解決中頻過高的問題。采用混頻方案可以克服倍頻方案中動(dòng)態(tài)范圍不夠的問題，原理簡(jiǎn)單，而且各部件的設(shè)計(jì)方法比較成熟，系統(tǒng)組建較為簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原系統(tǒng)的透明擴(kuò)展。圖2所示為二次變頻方案示意圖。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)上述選擇的二次變頻設(shè)計(jì)方案，關(guān)鍵技術(shù)和器件包括微波鎖相倍頻源（PLDRO）、微波基波和諧波混頻器、毫米波放大器。

2.3.1 微波鎖相倍頻源

本設(shè)計(jì)中要求變頻過程中要有較低的相位噪聲，所以采用高品質(zhì)恒溫晶體振蕩器為各微波信號(hào)源提供參考，保證其近端相位噪聲，同時(shí)采用DRO

（介質(zhì)振蕩器）作為鎖相源的壓控振蕩器，利用其優(yōu)良的遠(yuǎn)端相位噪聲，并且采用比較成熟的性能較好的鎖相環(huán)芯片，適當(dāng)選取環(huán)路帶寬和鑒相速度，實(shí)現(xiàn)相位噪聲性能優(yōu)良的微波鎖相源。

DRO是介質(zhì)諧振振蕩器（Dielectric Resonator Voltage Controlled Oscillator，DRVCO）的簡(jiǎn)稱，其原理是利用微波介質(zhì)諧振器作為高Q腔，對(duì)FET振蕩器進(jìn)行穩(wěn)頻的振蕩器。DRO原理如圖3所示。

雖然DRO有相位噪聲的優(yōu)勢(shì)，但是單獨(dú)的DRVCO頻穩(wěn)度只能達(dá)到10-5～10-6，所以必須采用鎖相環(huán)對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)頻，即采用鎖相環(huán)的DRO（PLDRO）。每個(gè)變頻模塊需要兩個(gè)PLDRO（鎖相介質(zhì)振蕩器），其原理相同。

鎖相穩(wěn)頻的方法主要包括分頻鎖相和取樣鎖相兩種，本系統(tǒng)采用分頻鎖相實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 微波混頻器

本組件中包括微波基波混頻器和毫米波諧波混頻器，為保證系統(tǒng)的可靠性和一致性，采用雙平衡混頻器。雙平衡混頻器原理圖及其輸出等效電路［4］如圖4所示。

雙平衡混頻器有很高的端口隔離度，平衡度很好，工作頻帶寬，比單平衡混頻器有更好的線性度［5］。雙平衡混頻器的輸出電流頻譜含量與單平衡混頻器相比少很多。此外，雙平衡混頻器的動(dòng)態(tài)范圍比單平衡混頻器的大3 dB，比單端混頻器大6 dB。雙平衡混頻器輸出端的噪聲能抵消本振引入噪聲所產(chǎn)生的中頻噪聲。

2.3.3 毫米波放大器

由于毫米波諧波混頻器變頻損耗較大，而受到混頻器件飽和點(diǎn)的限制，無法在混頻前對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，所以只能在二次變頻后進(jìn)行功率損失補(bǔ)償。通過對(duì)各種設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)比較，并結(jié)合目前的技術(shù)，最終采用HEMT MMIC低噪聲放大器件，其性能能滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。由于毫米波放大器的實(shí)現(xiàn)難度較大，采用分立元件管芯實(shí)現(xiàn)沒有可靠的工藝保障，所以采用較為可靠的MMIC電路來實(shí)現(xiàn)。

2.4 對(duì)變頻模塊的參考源穩(wěn)定度的考慮

系統(tǒng)將微波信號(hào)混頻至S頻段，濾波放大后，經(jīng)過毫米波諧波混頻器將其上變頻到毫米波頻段。為了保證參考源功率分配后的各路信號(hào)的相位關(guān)系，最好使參考源傳播的電長(zhǎng)度盡量一致。設(shè)參考源的短期頻率穩(wěn)定度指標(biāo)為ε，參考源激勵(lì)的系統(tǒng)中頻率最高毫米波源頻率為fh，則由參考源的指標(biāo)可以計(jì)算出此時(shí)的毫米波源單位時(shí)間頻率波動(dòng)，如公式（1）所示：

式中，Δf為參考源的波動(dòng)使毫米波源在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的頻率波動(dòng)，fmmw為毫米波源的輸出頻率，ε為參考源的短期頻率穩(wěn)定度。

系統(tǒng)要求各支路產(chǎn)生的相位關(guān)系波動(dòng)Δφ不超過±5°，所以必須建立相位波動(dòng)關(guān)系才能滿足相位波動(dòng)要求。相位波動(dòng)關(guān)系公式為

式中，Δf為參考源的波動(dòng)使毫米波源在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的頻率波動(dòng)，Δτ為不同支路參考源的電長(zhǎng)度差造成的時(shí)間延遲差。

計(jì)算結(jié)果要求滿足公式（3）：

當(dāng)Δτ=100 ns，也就是不同支路參考源傳輸距離差為30 m時(shí)，參考源的頻穩(wěn)度要好于10-13／100 ns數(shù)量級(jí)。如果Δτ=1 s，則需要10-13／s數(shù)量級(jí)的參考源。

變頻組件的主要問題來自于毫米波源的近端相位噪聲。由于系統(tǒng)中存在放大、倍頻、混頻等環(huán)節(jié)，使得最終毫米波信號(hào)相位將會(huì)比參考源有一定的惡化，對(duì)應(yīng)頻率為fh的毫米波源，由載波和閃爍噪聲為主要因素的近端相位噪聲對(duì)系統(tǒng)的各支路相位影響很大，所以要采用近端（Hz級(jí)）相位噪聲指標(biāo)非常好的基準(zhǔn)源作為參考。其相位噪聲指標(biāo)要求絕大部分相位噪聲功率集中在距離載波1／36 Hz之內(nèi)，則10 MHz參考源要求達(dá)到-150 dBc／Hz＠1kHz以上。本設(shè)計(jì)中采用高穩(wěn)定度的兩個(gè)PLDRO（兩個(gè)本振源共用一個(gè)高穩(wěn)定度的10 MHz參考源，相位噪聲為-155 dBc／Hz＠1kHz）分別產(chǎn)生的本振信號(hào)經(jīng)功分后供給上下變頻器，這樣兩個(gè)本振源的相位相參，下變頻器與上變頻器的相位也相參，更好地解決了相位穩(wěn)定的問題。

3 測(cè)試結(jié)果

設(shè)計(jì)完畢后，對(duì)變頻組件進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，上下變頻組件能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：動(dòng)態(tài)范圍90 dB，幅度穩(wěn)定度小于±0.3 dB／4 h，相位穩(wěn)定度小于±5°／4 h。

而采用變頻方式構(gòu)建的毫米波目標(biāo)模擬系統(tǒng)目標(biāo)位置合成精度較高，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了仿真專用毫米波變頻技術(shù)在毫米波目標(biāo)仿真系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。同時(shí)還進(jìn)行了多目標(biāo)頻譜特性的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明變頻組件的多目標(biāo)頻譜特性良好。圖5為4目標(biāo)頻譜測(cè)試結(jié)果圖。

4 結(jié)論

本文提出了采用上下變頻器構(gòu)建目標(biāo)模擬系統(tǒng)的思路，此思路也符合國際上毫米波仿真技術(shù)發(fā)展方向。該項(xiàng)技術(shù)的研究成功，不僅為毫米波目標(biāo)信號(hào)模擬器的研制提供了簡(jiǎn)潔的解決方法，也為以后其他雷達(dá)型號(hào)半實(shí)物仿真目標(biāo)信號(hào)模擬器的研制開拓了思路。今后，該項(xiàng)研究應(yīng)朝著進(jìn)一步提高毫米波上下變頻組件穩(wěn)定度和目標(biāo)位置合成精度的方向努力。

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ZHANG Xing-li was born in Shijiazhuang，Hebei Province，in 1979.He received the B.S.degree in 2002.He is now an engineer. His research concerns missile guidance system hardware-in-loop simulation.

Email：boynotear＠163.com

馬逸超（1982—），男，陜西延安人，工程師，主要從事射頻制導(dǎo)仿真技術(shù)研究；

MA Yi-chao was born in Yan′an，Shaanxi Province，in 1982. He is now an engineer.His research concerns RF guidance simulation technology.

吳自祿（1981—），男，河南信陽人，工程師，主要從事射頻制導(dǎo)仿真技術(shù)研究。

WU Zi-lu was born in Xinyang，Henan Province，in 1981.He is now an engineer.His research concerns RF guidance simulation technology.

Design of MMW Frequency Conversion Module
for RF Guided Hardware-in-loop Simulation System

ZHANG Xing-li1，2，MA Yi-chao1，2，WU Zi-lu1，2
（1.Key Laboratory of Aviation Science for Airborne Guided Weapons，Luoyang 471009，China；2.China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China）

In order to extend the frequency band of radio frequency（RF）guided hardware-in-loop simulation（HILS）system，a specific frequency converter for HILS is designed that uses secondary frequency conversion scheme with a public reference source.The key components ofthe module include microwave phase-lock oscillator，fundamental wave mixer and harmonic mixers，millimeter-wave（MMW）amplifiers.Testresultindicates thatthe module has high amplitude and phase stability，wide dynamic range，and good spectral properties，therefore it meets the simulation requirement.

missile guidance system；HILS；MMW；frequency conversion module

TN773.4

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.020

張興利（1979—），男，河北石家莊人，2002年獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)研究；

1001-893X（2012）02-0216-04

2011-09-30；

2011-12-19