一種寬頻帶超短波校正源的分析與設(shè)計(jì)

0    引言

多通道干涉儀測(cè)向體制的測(cè)向精度與多通道接收機(jī)的輸出信號(hào)間的相位差有關(guān)[1-3]，其對(duì)測(cè)向接收機(jī)的各通道幅度一致性、相位一致性有嚴(yán)格的要求，因此測(cè)向系統(tǒng)需要通過校正信號(hào)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(jí)聯(lián)引來電路梳狀譜的幅度波動(dòng)，其成為校正源設(shè)計(jì)時(shí)不能忽視的因素。然而目前尚無有完整的文獻(xiàn)報(bào)道有關(guān)的預(yù)測(cè)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(jù)組件特點(diǎn)分別建立相應(yīng)的組件模型，著重分析了校正源的電路阻抗、輸出幅頻特性等性能，對(duì)于校正源的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)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(lì)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(lì)輸入，其載波中心頻率為100 MHz，該信號(hào)先通過一個(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(lì)信號(hào)。整形后的梳狀譜信號(hào)依次經(jīng)過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(bǔ)混頻器帶來的變頻損耗，此時(shí)信號(hào)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足指標(biāo)要求，該梳狀譜送入測(cè)向天線進(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(jù)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(zhǔn)確度，需要首先建立電路中各個(gè)組件的仿真模型。根據(jù)組件的種類不同，建立組件仿真模型方法主要分類兩大類：無源S參數(shù)模型和有源PA模型。其中，電路中的各級(jí)濾波器主要采用無源S參數(shù)模型法，該方法采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試濾波器的S參數(shù)，將該S參數(shù)建立相應(yīng)濾波器的仿真模型；而電路中的各級(jí)放大器則采用有源PA模型法，結(jié)合放大器P-1這個(gè)重要參數(shù)研究所選放大器是否能實(shí)現(xiàn)對(duì)梳狀譜的放大器。

對(duì)于梳狀譜源，可采用階躍二極管來產(chǎn)生[4-5]，文中采用開關(guān)調(diào)制的方法。由方波的傅里葉級(jí)數(shù)描述可知，其由無數(shù)奇次諧波分量組成，見式（1），故可使用頻率為100 kHz的方波對(duì)100 MHz信號(hào)進(jìn)行開關(guān)調(diào)制產(chǎn)生梳狀譜源，譜線間隔為200 kHz，其在20 MHz范圍內(nèi)共有100根譜線，

（1）

2.2 校正源電路仿真

對(duì)梳狀譜源仿真，得到幅頻特性如圖2所示，圖2中單根譜線的輸出不小于-53 dBm，單根譜線的最大輸出為-46 dBm，后續(xù)電路需要對(duì)該梳狀譜進(jìn)行幅度放大。

圖2 激勵(lì)源幅頻特性

得到梳狀譜波形后，該梳狀譜先通過切比雪夫響應(yīng)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(duì)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根梳狀譜線的功率輸出而出現(xiàn)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(yīng)幅度仿真計(jì)算得到為-40 dBm，與預(yù)期計(jì)算相吻合，如圖4所示。圖4表明當(dāng)該梳狀譜通過介質(zhì)濾波器的物理模型后，梳狀譜帶內(nèi)呈現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，這是原理論計(jì)算所沒有預(yù)測(cè)到的，也表明了對(duì)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，通過加入阻抗匹配來改善帶內(nèi)波動(dòng)。

圖4 一中頻的幅頻特性

對(duì)于梳狀譜信號(hào)，因其對(duì)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(nèi)波動(dòng)特性。T型衰減網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算公式如下：

（2）

（3）

其中，N=U1/U2，U1、U2分別為T型衰減網(wǎng)絡(luò)兩側(cè)的電壓，Zc為特征阻抗。

從式（2）、（3）計(jì)算可知，R1、R2分別為15Ω和82Ω，在濾波器IF1前端加入調(diào)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(diào)理該梳妝譜信號(hào)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(nèi)放大輸出。

3   寬帶超短波校正源測(cè)試

按照上述仿真電路確定的電路參數(shù)，實(shí)際設(shè)計(jì)、加工了一種寬帶超短波梳狀譜源，并實(shí)際測(cè)試了校正源的電路指標(biāo)，結(jié)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(nèi)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(cè)

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

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

圖7 相位噪聲實(shí)測(cè)

4   結(jié)論

校正源的設(shè)計(jì)中，采用仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)思路，整個(gè)工程實(shí)踐劃分為電路仿真階段、電路實(shí)現(xiàn)階段和校正源調(diào)試階段等三個(gè)階段。該思路采用實(shí)測(cè)的元器件參數(shù)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(yàn)證了電路電路的可行性及其性能指標(biāo)，提前釋放了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，順利推進(jìn)電路實(shí)現(xiàn)階段和校正源調(diào)試階段。采用該方法設(shè)計(jì)的校正源已應(yīng)用在多個(gè)工程中。

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作者簡介：姜楊（1986—），男，工程師，碩士，研究方向?yàn)闊o線通信系統(tǒng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2020年12月期）