小型化S波段鎖相遙測發(fā)射組件

中國電子科技集團公司第十三研究所 張軼鵬

上海無線電設(shè)備研究所 黃紅云

1 前言

在現(xiàn)代遙測系統(tǒng)中，S波段遙測發(fā)射組件是及其重要的射頻設(shè)備。系統(tǒng)要求該設(shè)備不僅工作穩(wěn)定可靠，而且具有小體積、易調(diào)試、低雜散、高碼率等特性[1]。

在PCM 發(fā)展初期，所需電路相當(dāng)復(fù)雜,經(jīng)濟性與可靠性很差。50 年代末, 半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使PCM 電路系統(tǒng)成本大幅下降,數(shù)字式PCM 通信方式得到很好的發(fā)展。我國從60 年代開始研制二元PCM遙測系統(tǒng)，80 年代初形成了新的多元PCM- PPK遙測系統(tǒng)，S波段PCM 遙測發(fā)射組件作為遙測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分也獲得了很好的發(fā)展。最初的 PCM 發(fā)射組件采用晶振調(diào)頻、多次倍頻和放大的技術(shù)方案，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試困難、頻穩(wěn)度低、體積大、碼率低等缺點早已淘汰。通過直接調(diào)頻、倍頻、放大技術(shù)設(shè)計的PCM 發(fā)射組件，雖然可以得到較大的調(diào)制頻偏，但由于倍頻環(huán)節(jié)的存在，使系統(tǒng)噪聲積累和輸出功率下掉。在晶振上直接調(diào)頻導(dǎo)致頻穩(wěn)度很差，而且結(jié)構(gòu)龐大[2]。

縱觀上述PCM 發(fā)射組件的設(shè)計，碼速率較低、體積較大是它們的最大不足，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代系統(tǒng)的需要。

本文討論的一點注入式鎖相技術(shù)設(shè)計的PCM 發(fā)射組件，具有小體積，易調(diào)試，低雜散、碼率高等特點，發(fā)射組件輸出功率為2W 以上。

2 遙測發(fā)射組件

其工作原理是：鎖相環(huán)作為相位負反饋系統(tǒng)，把系統(tǒng)輸出信號的相位鎖定在輸入信號的相位上。在鎖相環(huán)中，鑒相器把經(jīng)分頻后的信號和參考信號的相位進行比較，產(chǎn)生對應(yīng)于兩信號相位差的誤差電壓。環(huán)路濾波器濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。輸出的壓控振蕩器，使其頻率向參考信號頻率靠近，也就是使兩者頻率之差越來越小，直至消除頻差而鎖定，同時，調(diào)頻（FM）信號通過預(yù)調(diào)電路迭加到VCO的電調(diào)控制端，最后經(jīng)放大濾波輸出所需的微波調(diào)頻信號[2]。調(diào)制鎖相源把晶振信號倍頻鎖相到需要的微波頻率，在鎖相倍頻的同時，把要調(diào)制的PCM數(shù)據(jù)流通過預(yù)調(diào)制，加到頻率源的線性壓控振蕩器上，實現(xiàn)PCM的數(shù)據(jù)的FM調(diào)制，調(diào)制后的信號經(jīng)功率放大后到1W，再經(jīng)低通濾波輸出。原理框圖如圖1所示。

該遙測組件發(fā)射組件要求的實現(xiàn)功能多、體積小、工作溫度范圍寬，可靠性高。目前微波調(diào)頻鎖相源常采用的方案有兩類。

第一類：一點注入式微波鎖相調(diào)頻。調(diào)制信號直接加在微波壓控振蕩器(VCO)的電調(diào)輸入端，使VCO的輸出頻率隨調(diào)制信號線性變化，該調(diào)頻方案稱為一點注入式微波鎖相調(diào)頻，圖2為其原理框圖。

該電路通過把鎖相環(huán)路的截止頻率設(shè)置的低于調(diào)制信號的最低頻率即可實現(xiàn)對VCO的直接鎖相調(diào)頻，具有電路簡單，調(diào)試方便的特點。

圖1 遙測發(fā)射組件原理框圖

圖2 一點注入式鎖相調(diào)頻電路框圖

第二類：準(zhǔn)兩點注入式微波鎖相調(diào)頻。將調(diào)制信號分成2路，一路直接注入到VCO輸入端，使VCO的輸出頻率隨調(diào)制信號線性變化，實現(xiàn)直接調(diào)頻；另一路經(jīng)過一個積分器注入到環(huán)路濾波器輸入端口后，再對VCO進行調(diào)相來實現(xiàn)間接調(diào)頻。該調(diào)頻方式就稱為準(zhǔn)兩點注入式微波鎖相調(diào)頻，其電路構(gòu)成框圖如圖3所示。

圖3 準(zhǔn)兩點注入式鎖相調(diào)頻電路框圖

該電路通過設(shè)計積分器的積分常數(shù)可以實現(xiàn)調(diào)制特性與環(huán)路響應(yīng)無關(guān)的特點，但電路較復(fù)雜，體積較大，積分常數(shù)和預(yù)調(diào)電路的配合調(diào)試復(fù)雜。

綜合考慮該發(fā)射電路的技術(shù)指標(biāo)，我們采用一點注入式微波鎖相調(diào)頻方案來實現(xiàn)。

3 詳細設(shè)計

S波段鎖相源輸出頻率為2200 MHz～2400MHz,步進為500kHz，通過用戶提供的三線來配置頻率。

對S波段鎖相源來說，其電路設(shè)計主要包括晶振設(shè)計、環(huán)路濾波器設(shè)計、壓控振蕩器設(shè)計、預(yù)調(diào)電路設(shè)計等。下面逐一進行詳細分析。

（1）晶振設(shè)計

鑒于該鎖相源對相噪指標(biāo)無很高的要求以及體積的限制，采用20MHz小型貼裝的溫補晶振為鎖相環(huán)提供參考信號，輸出信號為方波。溫補晶振型號為PXM07A-H-KW-N@20M，其溫度穩(wěn)定度可達到≤±3×10-5，從而可滿足指標(biāo)≤±5×10-5要求。

（2）環(huán)路濾波器設(shè)計

該鎖相源參考信號為20MHz方波，鑒相頻率為500kHz，射頻信號范圍為2.2GHz～2.4GHz，步進為0.5MHz，環(huán)路濾波器采用無源設(shè)計，環(huán)寬約為80Hz，環(huán)路濾波器參數(shù)如圖4所示。

寄生調(diào)頻主要是鎖相源在外加調(diào)制信號下的偏移失真。通過合理設(shè)計鎖相環(huán)路的帶寬，在滿足調(diào)制頻響的前提下盡量加寬環(huán)路帶寬，從而使鎖相源的帶內(nèi)噪聲較好即可減小寄生調(diào)頻的影響。對此，由于調(diào)頻信號的速率為100Hz～5MHz，因此，通過經(jīng)驗可知當(dāng)環(huán)寬設(shè)置為幾十Hz時即可達到指標(biāo)要求。其環(huán)路參數(shù)設(shè)計如下。

參考源的頻率為20MHz，鑒相頻率為500kHz，采用高增益三階環(huán)的設(shè)計公式進行計算，然后由實驗來驗證所設(shè)條件是否滿足，計算是否合理。首先根據(jù)實際需要，正確選擇鎖相環(huán)中的以下幾個參數(shù)。

阻尼系數(shù)ξ：阻尼系數(shù)ξ是一種描述鎖相本振信號穩(wěn)定性的參數(shù)，ξ值的大小將直接影響鎖相環(huán)路的瞬態(tài)特性。ξ值太大，鎖相環(huán)路處于過阻尼狀態(tài)，使鎖相環(huán)路的低通特性變差，濾除不掉鑒相頻率；ξ值太小，鎖相環(huán)路處于欠阻尼狀態(tài) ，使鎖相環(huán)路的瞬態(tài)特性有較大過沖，將使捕捉時間加長。為了兼顧鎖相環(huán)路的過渡時間及噪聲帶寬，ξ一般?。?/2）1/2，即ξ＝0.707；

噪聲帶寬Bn：噪聲帶寬Bn用來表示環(huán)路濾除噪聲的能力。噪聲帶寬Bn越小，環(huán)路濾除帶外噪聲的能力越強。即當(dāng)噪聲通過環(huán)路時，可以把環(huán)路看作噪聲帶寬為Bn的濾波器。在此根據(jù)實際工程需要選取Bn=80Hz，根據(jù)實測結(jié)果，寄生調(diào)頻約3kHz，環(huán)路濾波器設(shè)計如圖4所示。

圖4 環(huán)路濾波器設(shè)計

其中環(huán)路相應(yīng)如圖5所示。

圖5 環(huán)路相應(yīng)示意圖

（3）壓控振蕩器設(shè)計

采用了我所自行研制的雙調(diào)諧壓控振蕩器（VCO），電路簡單、性能穩(wěn)定可靠、具備批生產(chǎn)的能力。

VCO粗調(diào)端接環(huán)路濾波器，完成調(diào)相功能。PCM調(diào)制信號經(jīng)預(yù)調(diào)電路后接入VCO的細調(diào)端，使VCO的輸出頻率隨調(diào)制信號線性變化，實現(xiàn)直接調(diào)頻的功能，最高調(diào)制速率不低于10MHz。原理框圖如圖6所示。

（4）預(yù)調(diào)電路

調(diào)制信號0～5Vpp，100Hz～5MHz，正調(diào)制極性，調(diào)制頻偏2MHz±20%。VCO細條靈敏度約3MHz/V，因此調(diào)制信號接入細調(diào)端之前需進行分壓處理，將平均電壓降至0.7V左右，來解決器件靈敏度高對調(diào)制頻偏的影響，同時通過溫補措施來減小VCO線性度差對調(diào)制頻偏在溫度特性下的影響，從而使產(chǎn)品在高碼速率的頻響特性下，保持比較穩(wěn)定的調(diào)制頻偏。預(yù)調(diào)電路原理圖如圖6所示。

圖6 雙調(diào)諧壓控振蕩器設(shè)計原理

4 樣品制備及結(jié)果分析

根據(jù)上述方案，我們研制出S波段鎖相遙測發(fā)射組件，本文對發(fā)射組件性能進行測試，結(jié)果如下：工作頻率2.2-2.4GHz，步進0.5MHz，輸出功率≥1W，頻偏為2MHz±10%，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于±5×10-5，相噪達到-90dBc/Hz@10kHz,輸出雜波、諧波不小于60dB，與設(shè)計值完全相符。發(fā)射組件如圖7所示，載波頻譜如圖8所示。

圖7 S波段鎖相遙測發(fā)射組件實物

圖8 S波段鎖相遙測發(fā)射組件頻譜

5 結(jié)論

本文采用SMT工藝、全新的壓控振蕩器設(shè)計理念，重點解決了產(chǎn)品小型化、難調(diào)試、低碼率等問題。經(jīng)過產(chǎn)品的研制，產(chǎn)品體積、調(diào)試量、性能等達到預(yù)期要求。

[1]章學(xué)鋒,石光明.小型S波段鎖相遙測發(fā)射機[J].電子科技,2008,21(9):20-23.

[2]鄭貴強,周邦華.遙測發(fā)射機的高碼速率實現(xiàn)和小型化技術(shù)[J].遙測遙控,2014,5(10):41-43.