衛(wèi)星時鐘信號功分網(wǎng)絡(luò)對鎖相環(huán)電路干擾分析

高杰 韓浪 紀(jì)文章 袁仕耿

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

時鐘信號功分網(wǎng)絡(luò)是衛(wèi)星進行時間信息管理的重要組成部分，衛(wèi)星的時頻管理單元輸出一路時鐘信號，經(jīng)功分網(wǎng)絡(luò)輸出至各設(shè)備。各設(shè)備共用一個微波網(wǎng)絡(luò)，就會存在共網(wǎng)絡(luò)干擾的風(fēng)險，尤其是網(wǎng)絡(luò)中存在包含鎖相環(huán)電路等對信號相位變化敏感的設(shè)備。功分網(wǎng)絡(luò)對信號傳輸特性的影響，明顯體現(xiàn)在對信號相位的影響[1]；當(dāng)功分網(wǎng)絡(luò)的端口阻抗不匹配時，對信號相位的影響更加明顯；在實際工程中，端口理想匹配的網(wǎng)絡(luò)并不存在，總有端口出現(xiàn)阻抗失配的情況[2-3]。此干擾問題的發(fā)生，基于特定的電子系統(tǒng)使用環(huán)境，具有一定的特殊性，目前國內(nèi)外對相同問題的分析研究較少。

本文首先通過理論推導(dǎo)，建立了一種共網(wǎng)絡(luò)干擾的數(shù)學(xué)機理模型；其次，通過Matlab軟件編程，仿真分析了各個變量對干擾強弱的影響；然后，根據(jù)分析結(jié)果，明確了主要干擾因素，設(shè)計了系統(tǒng)改進方案；最后，通過設(shè)備的系統(tǒng)聯(lián)試驗證了改進方案的有效性。

1 干擾產(chǎn)生的機理

1.1 同頻不同相信號的產(chǎn)生

衛(wèi)星時鐘信號的功分網(wǎng)絡(luò)為多端口微波網(wǎng)絡(luò)，其在輸出端口處能產(chǎn)生同頻不同相的疊加信號，本節(jié)以三端口網(wǎng)絡(luò)為例解釋疊加信號產(chǎn)生的機理。假設(shè)圖1所示的三端口網(wǎng)絡(luò)，在端口3處出現(xiàn)阻抗失配，此時端口阻抗取任意值Zl，如圖1所示。

注：a1、a2、a3為歸一化入射波，b1、b2、b3為歸一化反射波。

圖1 失配三端口網(wǎng)絡(luò)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of impedance mismatched

three port microwave network

(1)

式中：Si，j(i，j=1，2，3)為三端口網(wǎng)絡(luò)的歸一化散射參量。

假設(shè)端口2為匹配，a2=0，所以，

(2)

1.2 同頻不同相的信號對鎖相環(huán)電路的影響

鎖相環(huán)電路是一個跟蹤輸入信號相位的控制系統(tǒng)，輸入信號通過其瞬時相位控制輸出信號的瞬時相位[8]?；镜逆i相環(huán)路構(gòu)成如圖2所示，是一個由輸入和輸出相位差控制的負(fù)反饋系統(tǒng)[9]。

圖2中，θ1(t)和θ2(t)是基于鎖相環(huán)內(nèi)被控振蕩器頻率為參考的輸入、輸出相位，表示信號波在輸入、輸出時刻的相角。當(dāng)信號進入鎖相環(huán)時，鑒相器比較θ1(t)和θ2(t)的相位差，由相位差產(chǎn)生誤差電壓，經(jīng)過濾波器過濾后形成控制電壓，從而控制壓控振蕩器產(chǎn)生頻率偏移，來跟蹤輸入信號的頻率，直到兩者相等，環(huán)路穩(wěn)定下來，達(dá)到鎖定。

對于一個鎖定狀態(tài)的鎖相環(huán)路，如果在信號輸入端突然疊加一個同頻不同相的信號，會導(dǎo)致相位差的突然變化，鑒相器識別此相位變化，會產(chǎn)生一個控制電壓，從而控制振蕩器的頻偏[10]。這個頻率的誤跟蹤會導(dǎo)致鎖相環(huán)路的失鎖，當(dāng)輸入信號穩(wěn)定后，鎖相環(huán)路通過相位跟蹤會恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，恢復(fù)鎖定。

2 影響相位變化的因素分析

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

以衛(wèi)星上全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收機加斷電會造成星間鏈路設(shè)備的瞬時失鎖為例建立數(shù)學(xué)模型。此時功分網(wǎng)絡(luò)可以用圖3所示的二分四微波網(wǎng)絡(luò)表示，端口1和端口6為時鐘信號輸入，端口2至端口5為時鐘信號輸出，分別連接衛(wèi)星的星間鏈路設(shè)備、GNSS、載荷設(shè)備和應(yīng)答機。實際工作時，兩路輸入只有一路工作，且應(yīng)答機開關(guān)機前后端口匹配很好，駐波在1.05左右，因此假設(shè)端口5和端口6為匹配狀態(tài)。

對于任何一個網(wǎng)絡(luò)，其在多個端口失配情況下的信號傳輸關(guān)系，都可以通過求解，得到

b2=(S21+S23·S31·Γ3·A+S24·S31·Γ4·

C+S23·S41·Γ3·B+S24·S41·Γ4·D)·a1

(3)

式中：A、B、C、D為計算的過程變量；Γ4為端口4的反射系數(shù)，其表示端口4反射波電壓與入射波電壓的比值。

(4)

則端口2輸出信號的相位為

φ=Arg(S21+S23·S31·Γ3·A+S24·S31·

Γ4·C+S23·S41·Γ3·B+S24·S41·Γ4·D)

(5)

2.2 衛(wèi)星實例分析參數(shù)的確定

信號相位變化是引起鎖相環(huán)電路失鎖的關(guān)鍵，分析的目的是要明確哪些參數(shù)是引起時鐘信號相位波動的主要因素。本次仿真分析模擬GNSS加斷電時，其設(shè)備時鐘信號入口反射系數(shù)變化，對星間鏈路輸入時鐘信號相位的影響。功分網(wǎng)絡(luò)的S參量及載荷設(shè)備時鐘信號入口的駐波為分析的邊界條件。通過測試得出衛(wèi)星時鐘信號分配網(wǎng)絡(luò)的S參量見表1。

表1 時鐘分配網(wǎng)絡(luò)S參量Table 1 S parameter of clock distribution network

2.3 分析結(jié)果

1)GNSS設(shè)備時鐘信號入口反射系數(shù)變化對星間鏈路輸入時鐘信號相位的影響

載荷設(shè)備正常工作時，設(shè)備時鐘信號入口駐波為1.5，利用Matlab軟件編程，計算GNSS設(shè)備時鐘信號入口反射系數(shù)Γ3幅度(對應(yīng)圖4方框中的不同幅度值)和相位變化時，星間鏈路輸入時鐘信號相位的變化趨勢。仿真結(jié)果如圖4所示，GNSS加斷電前后，如果其時鐘信號入口的反射系數(shù)在兩個波動區(qū)變化，必然會造成星間鏈路輸入時鐘信號相位的明顯變化。

2)影響相位波動區(qū)幅度范圍的因素分析

當(dāng)GNSS與載荷設(shè)備時鐘信號入口駐波趨于一致時，波動區(qū)幅度變化范圍增大。假設(shè)GNSS與載荷設(shè)備端口駐波相等，則GNSS時鐘信號入口反射系數(shù)變化時(圖5方框中不同幅度值指GNSS時鐘信號入口反射系數(shù)的幅度)，星間鏈路輸入時鐘信號相位變化如圖5所示。

當(dāng)GNSS與載荷設(shè)備時鐘信號入口反射系數(shù)趨于反相時，波動區(qū)幅度變化范圍增大。GNSS和載荷設(shè)備正常工作的時鐘信號入口駐波分別為2和1.5，當(dāng)載荷設(shè)備端口反射系數(shù)取不同相位時，星間鏈路輸入時鐘信號相位的變化，如圖6所示。

3)功分網(wǎng)絡(luò)端口隔離度增加對星間鏈路輸入時鐘信號相位的影響

分析功分網(wǎng)絡(luò)增加GNSS端口和星間鏈路端口隔離度，對星間鏈路輸入時鐘信號相位的影響。出現(xiàn)干擾問題時此兩個端口的隔離度為34 dB，當(dāng)增加此隔離度值時，星間鏈路端輸入時鐘信號的相位受GNSS加斷電的影響變小。取GNSS和載荷設(shè)備時鐘信號入口駐波分別為2和1.5，仿真結(jié)果如圖7所示，只有當(dāng)隔離度增加到-60 dB時，串?dāng)_才會被完全抑制。

3 抑制干擾的設(shè)計改進及試驗驗證

2.3節(jié)所分析的是一個電子系統(tǒng)的電磁兼容問題，各設(shè)備因共用一個功分網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生一個特定的電磁環(huán)境，其重要屬性是經(jīng)過此電磁環(huán)境的信號相位發(fā)生變化，這是干擾鎖相環(huán)電路的原因。要抑制此干擾，就需要改變各設(shè)備共處電磁環(huán)境的屬性，從而實現(xiàn)對信號相位變化的控制，變化的幅度越小，其對鎖相環(huán)電路的影響就越小，直至干擾消失。

此電磁環(huán)境控制相位變化大小的主要因素是各設(shè)備時鐘信號入口的駐波、反射系數(shù)相位和網(wǎng)絡(luò)各端口的隔離度，而不同設(shè)備在此三類指標(biāo)上的數(shù)量關(guān)系，是控制干擾強弱的變量，駐波一致、相位反相、隔離度太小都會造成較強的干擾。為了實現(xiàn)系統(tǒng)電磁兼容，抑制干擾，電子系統(tǒng)中的相關(guān)設(shè)備需要在上述三類指標(biāo)上進行協(xié)調(diào)設(shè)計，而協(xié)調(diào)的關(guān)鍵就是指標(biāo)間的數(shù)量關(guān)系。在保證各設(shè)備功能正常的前提下，為了實現(xiàn)系統(tǒng)電磁兼容，駐波、反射系數(shù)相位和隔離度指標(biāo)改進如下。

(1)將各設(shè)備時鐘信號入口的駐波設(shè)計不同值，在滿足信號強度要求的前提下盡可能相差大一些，改進指標(biāo)見表2。

表2 駐波改進指標(biāo)Table 2 Index of stand wave

(2)將各設(shè)備時鐘信號入口的反射系數(shù)相位設(shè)計為趨于同相，改進指標(biāo)見表3。

(3)增加功分網(wǎng)絡(luò)各輸出端口的隔離度，改進指標(biāo)見表4。

各設(shè)備更改指標(biāo)后上星復(fù)測，干擾現(xiàn)象消失。試驗結(jié)果見表5，改進前GNSS每次加、斷電都會造成鎖相環(huán)電路的失鎖；只按照表4措施完成改進后，GNSS加斷電50次，出現(xiàn)16次失鎖現(xiàn)象；按照表3、表4措施改進后，GNSS加斷電50次，未出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象。

表3 端口反射相位改進指標(biāo)Table 3 Index of reflection phase

表4 網(wǎng)絡(luò)隔離度改進指標(biāo)Table 4 Index of isolation

表5 試驗驗證結(jié)果Table 5 Results of test

4 結(jié)束語

多個設(shè)備共用信號功分網(wǎng)絡(luò)容易產(chǎn)生干擾鎖相環(huán)電路的現(xiàn)象，產(chǎn)生的原因是各設(shè)備狀態(tài)變化時，引發(fā)網(wǎng)絡(luò)輸出信號相位變化，造成鎖相環(huán)電路失鎖。通過理論分析及試驗驗證，采取設(shè)計各設(shè)備時鐘信號入口駐波趨于不同值，反射系數(shù)相位趨于反相，同時增加網(wǎng)絡(luò)各端口隔離度至-45 dB以上，能有效抑制此類干擾，可為衛(wèi)星時鐘信號功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計提供參考。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 閆潤卿，李英惠.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004

Yan Ruiqing, Li Yinghui. Basis of microwave technology[M].Beijing: Beijing Institute of Technology Press,2004 (in Chinese)

[2] 廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994

Liao Chengen. Basis of microwave technology[M].Beijing: National Defense Industry Press,1994 (in Chinese)

[3] 廖承恩，陳達(dá)章.微波技術(shù)基礎(chǔ)(上冊)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1979

Liao Chengen, Chen Dazhang. Basis of microwave technology[M].Beijing: National Defense Industry Press,1979 (in Chinese)

[4] 沈志遠(yuǎn).微波技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1981

Shen Zhiyuan. Microwave technology[M].Beijing: National Defense Industry Press,1981 (in Chinese)

[5] 尚洪臣.微波網(wǎng)絡(luò)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1988

Shang Hongchen. Microwave network[M].Beijing: Beijing Institute of Technology Press,1988 (in Chinese)

[6] 吳萬春，梁昌洪.微波網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1980

Wu Wanchun, Liang Changhong. The application of microwave network[M].Beijing: National Defense Industry Press,1980 (in Chinese)

[7] Omp Gandhi. Microwave engineering and applications[M]. Oxford: Pergamon Press,1981

[8] 余志平，周潤德.射頻微電子[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008

Yu Zhiping, Zhou Runde. RF microelectronics[M].Beijing: Tsinghua University Press,2008 (in Chinese)

[9] 曾興雯，劉乃安，陳健.高頻電路原理與分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002

Zeng Xingwen, Liu Naian, Chen Jian. Principle and analysis of high frequency circuit[M].Xi’an: Xi’an Electronic and Science University Press,2002 (in Chinese)

[10] 萬心平，張厥盛，鄭繼禹.鎖相技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1995

Wan Xinping, Zhang Juesheng, Zheng Jiyu. Phase lock technology[M].Xi’an: Xian Electronic and Science University Press,1995 (in Chinese)