一種寬頻帶超短波校正源的分析與設計

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，因此測向系統需要通過(guò)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(gè)射頻濾波器的級聯(lián)引來(lái)電路梳狀譜的幅度波動(dòng)，其成為校正源設計時(shí)不能忽視的因素。然而目前尚無(wú)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，該模型根據組件特點(diǎn)分別建立相應的組件模型，著(zhù)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(guò)一個(gè)中心頻率為100 MHz、帶寬為20 MHz的LC濾波器進(jìn)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(guò)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(lái)的變頻損耗，此時(shí)信號需要由IF1放大器放大幅度，進(jìn)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(mǎn)足指標要求，該梳狀譜送入測向天線(xiàn)進(jìn)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

根據上述校正源電路模型采用ADS仿真軟件進(jìn)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(gè)組件的仿真模型。根據組件的種類(lèi)不同，建立組件仿真模型方法主要分類(lèi)兩大類(lèi)：無(wú)源S參數模型和有源PA模型。其中，電路中的各級濾波器主要采用無(wú)源S參數模型法，該方法采用網(wǎng)絡(luò )分析儀測試濾波器的S參數，將該S參數建立相應濾波器的仿真模型；而電路中的各級放大器則采用有源PA模型法，結合放大器P-1這個(gè)重要參數研究所選放大器是否能實(shí)現對梳狀譜的放大器。

對于梳狀譜源，可采用階躍二極管來(lái)產(chǎn)生[4-5]，文中采用開(kāi)關(guān)調制的方法。由方波的傅里葉級數描述可知，其由無(wú)數奇次諧波分量組成，見(jiàn)式（1），故可使用頻率為100 kHz的方波對100 MHz信號進(jìn)行開(kāi)關(guān)調制產(chǎn)生梳狀譜源，譜線(xiàn)間隔為200 kHz，其在20 MHz范圍內共有100根譜線(xiàn)，

（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(xiàn)的輸出不小于-53 dBm，單根譜線(xiàn)的最大輸出為-46 dBm，后續電路需要對該梳狀譜進(jìn)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(guò)切比雪夫響應的LC集中濾波器，進(jìn)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(xiàn)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(xiàn)的功率輸出而出現飽和。

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(guò)介質(zhì)濾波器的物理模型后，梳狀譜帶內呈現較大幅度的波動(dòng)，這是原理論計算所沒(méi)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(guò)加入阻抗匹配來(lái)改善帶內波動(dòng)。

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 )以改善帶內波動(dòng)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(mén)型衰減網(wǎng)絡(luò )兩側的電壓，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)調理該梳妝譜信號進(jìn)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，實(shí)際設計、加工了一種寬帶超短波梳狀譜源，并實(shí)際測試了校正源的電路指標，結果如圖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，帶內波動(dòng)小于3 dB，具有較好地幅度一致性。

圖6 梳狀譜實(shí)測

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

該校正源的帶內波動(dòng)較為平坦，且在工作頻段內具有良好的相位噪聲，能夠保證超短波測向接收設備在整個(gè)工作帶寬內穩定可靠的工作。

圖7 相位噪聲實(shí)測

4   結論

校正源的設計中，采用仿真驅動(dòng)設計思路，整個(gè)工程實(shí)踐劃分為電路仿真階段、電路實(shí)現階段和校正源調試階段等三個(gè)階段。該思路采用實(shí)測的元器件參數作為組件模型，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，提前釋放了設計風(fēng)險，順利推進(jìn)電路實(shí)現階段和校正源調試階段。采用該方法設計的校正源已應用在多個(gè)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(cháng)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(xué)報, 2009,31(1):64-69.

[4] 聶楊, 喻志遠. 基于階躍二極管的平面結構梳狀譜發(fā)生器設計[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)生器的設計與實(shí)現[J].火控雷達技術(shù),2011, 40(1):76-77.

作者簡(jiǎn)介：姜楊（1986—），男，工程師，碩士，研究方向為無(wú)線(xiàn)通信系統、電子對抗系統。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2020年12月期）