C波段高精度數(shù)字化鑒相器

李少甫，劉 聰，李 端，李雅楠，王蘭蘭，高 蟠，何永斌，郭 鋒，夏祖學(xué)

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010)

0 引言

微波相位測量在無線通信電路、雷達(dá)發(fā)射接收機(jī)電路、無線定位和微波傳感器測量等領(lǐng)域有重要應(yīng)用［1-3］。微波相位測量是比較成熟的技術(shù)，但是對于特定的應(yīng)用，通用的方法無法滿足需要。在很多應(yīng)用中，微波頻率抖動(dòng)和相位是非常重要的參量，因而研究其檢測技術(shù)非常重要。文獻(xiàn)［1］的實(shí)驗(yàn)方法中采用雙平衡混頻的方法能夠測量相位，但不能夠測量頻率。本文研究一種聯(lián)合使用FFT和非線性最小二乘法擬合的測量方法可以同時(shí)測量頻率和相位。

1 原理和總體電路

總體電路如圖1所示，由于在C波段頻率比較高，為了降低數(shù)字化采樣的采樣率采用變頻降低頻率。電路由本振電路、本振監(jiān)測電路、本振低通濾波電路、本振功分電路、變頻電路和中頻低通濾波電路等構(gòu)成。

圖1 數(shù)字化相位測量總體電路

1.1 本振電路

本振電路采用 hittite的hmc358電路，頻率在6.5 GHz左右，可以調(diào)整。直流供電電壓3 V，電流100 mA;頻率調(diào)整電壓為0～10 V，頻率可調(diào)范圍是5.8～6.8 GHz;輸出功率最大到10 dBm;二次諧波和三次諧波相對基波水平分別為-10 dB和-20 dB。

本振監(jiān)測電路采用微帶電路，設(shè)計(jì)在電路板上，監(jiān)測端耦合度為20 dB。本振低通濾波電路采用9階Butterworth低通支線微帶電路，設(shè)計(jì)在電路板上，目的是濾除本振的二次以上諧波，幅頻特性如圖2所示。本振功分電路采用Wilkinson微帶功分電路，設(shè)計(jì)在電路板上。

圖2 本振低通濾波器幅頻特性

1.2 變頻電路

變頻電路采用Hittite的Hmc219電路，其RF和本振輸入頻率范圍為4.5～9 GHz，在本振輸入功率13 dBm非線性1 dB壓縮功率可達(dá)10 dBm，中頻輸出頻率范圍為DC～2.5 GHz，變頻損耗8.5 dB左右，本振與RF之間的隔離度為25 dB左右。

被測試微波經(jīng)過變頻電路后，頻率在500 MHz左右，有8.5 dB左右的損耗。為了濾除高次諧波，設(shè)計(jì)了一個(gè)6階Butterworth低通支線微帶電路，設(shè)計(jì)在電路板上，幅頻特性如圖3所示?？紤]到電路尺寸設(shè)計(jì)的階數(shù)不是太高，且Hmc219電路是雙平衡混頻器，對帶外諧波有較強(qiáng)的抑制，這樣2個(gè)電路加起來對于本振、RF和上邊帶的抑制在50 dB以上。

變頻后的信號(hào)經(jīng)過高速A/D變換后送計(jì)算機(jī)進(jìn)行相位測量等數(shù)據(jù)處理。

圖3 中頻低通濾波器幅頻特性

2 數(shù)字化相位測量

微波相位測量主要有模擬電路相位測量系統(tǒng)和數(shù)字化相位測量系統(tǒng)。數(shù)字化相位測量系統(tǒng)具有處理靈活、精度高等優(yōu)勢。數(shù)字化相位測量方法主要有相關(guān)函數(shù)法［4，5］、一階線性插值測相法、線性最小二乘法和FFT譜分析法等［6，7］。其中一階線性插值測相法通過比較過零點(diǎn)來比較相位差，其精度較差，F(xiàn)FT譜分析法在高精度測量時(shí)需要較高的采樣率或者采樣頻率與基波頻率成倍數(shù)關(guān)系［8］。線性最小二乘法具有較高的精度，但是對被測波的頻率要事先測量出來。相關(guān)函數(shù)法要求采樣頻率是被測信號(hào)頻率的整數(shù)倍，也有較高的精度。但是相關(guān)函數(shù)法對于來自于2個(gè)非相關(guān)的源的非相關(guān)噪聲具有較好的抑制作用，對于來自本振等相關(guān)源的噪聲卻無能為力。通過比較分析，本文采用非線性最小二乘法擬合的方法。

2.1 數(shù)字化相位測量原理

輸入微波信號(hào)分別為:

式中，n1和 n2分別為噪聲信號(hào);A1和 A2、ω1和 ω2、φ1和φ2分別為幅度、角頻率和位。它們經(jīng)過變頻濾波以后為:

式中，α為變頻損耗比;ωL為本振角頻率;n'1和n'2分別為變頻和濾波對輸入噪聲的改變;nl為變頻中增加的噪聲，它們與變頻器的噪聲系數(shù)有關(guān)。

經(jīng)過高速A/D變換后的量化信號(hào)為:

式中，ωIF1和 ωIF2為中頻，它們分別為(ωL-ω1)和(ωL-ω2);e(k)為量化噪聲。

對式(5)和式(6)進(jìn)行傅里葉變換可以初步估計(jì)其頻率和相位，但是由于其采樣點(diǎn)有限，其精度非常小，特別是相位對噪聲比較敏感，這個(gè)方法滿足不了實(shí)際工程的需要。非線性最小二乘法擬合方法的收斂時(shí)間對初值比較敏感，所以先用FFT估計(jì)頻率和相位，作為初值再采用它優(yōu)化得到比較精確的頻率和相位。

2.2 數(shù)字化相位測量仿真和實(shí)驗(yàn)

通過優(yōu)化運(yùn)算式(7)可以找到被測信號(hào)頻率和相位。非線性最小二乘法擬合數(shù)據(jù)得到的被測信號(hào)波形如圖4所示，實(shí)驗(yàn)條件是輸入信號(hào)頻率5.1 GHz，功率10 dBm，本振信號(hào)頻率6.1 GHz，功率本振信號(hào)功率12.5 dBm，中頻信號(hào)頻率500 MHz，2路信號(hào)相位差80°，A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)是8位，采樣率是5 GHz。非線性最小二乘法擬合測量2路誤差與信號(hào)信噪比和A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖5可以看出，在信噪比大于30 dB時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)是8位時(shí)用非線性最小二乘擬合法的測量誤差小于0.1°，能夠滿足工程測量的需要。A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)小于8位時(shí)有比較大的測量誤差。

圖4 非線性最小二乘法擬合數(shù)據(jù)波形

圖5 角度測量誤差與信噪比和A/D變換的關(guān)系

3 結(jié)束語

為了改進(jìn)獻(xiàn)［1，2］中的相位測量方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字化相位測量系統(tǒng)，討論了前端硬件電路中各個(gè)部分的原理和實(shí)現(xiàn)方法，該前端頻率帶寬可以達(dá)到1 GHz。

本文提出的聯(lián)合FFT與非線性最小二乘法擬合測量微波相位的方法具有測量精度高、不需要事先知道被測量信號(hào)頻率等優(yōu)點(diǎn)，還可以測量信號(hào)頻率。與文獻(xiàn)［1，2］中的測量方法比較，極大地提高了測量精度，同時(shí)解決了頻率測量問題。目前已經(jīng)完成原理性實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過分析和實(shí)驗(yàn)研究該電路能夠滿足工程測量要求。下一步的工作還要提高電路的動(dòng)態(tài)范圍等。

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