高碼速率微波鎖相調(diào)頻遙測發(fā)射機(jī)

　　一、引　　言

　　目前，再入遙測系統(tǒng)正朝著更高傳輸速率的方向發(fā)展，即所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量和參數(shù)種類在急劇增加，要求PCM信號的碼速率已增加到2 Mbit/s或更高。在國際遙測頻段，要實(shí)現(xiàn)2 Mbit/s PCM信號的調(diào)頻，構(gòu)成調(diào)頻遙測發(fā)射機(jī)的技術(shù)方案有2種。一種方案是在晶體振蕩器上進(jìn)行調(diào)頻，然后再通過倍頻、濾波和放大鏈路來達(dá)到所需的工作頻率、功率和調(diào)制特性。該方案使用經(jīng)典電路，容易實(shí)現(xiàn)高碼速率信號的寬帶調(diào)頻，但其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試難度大，雜波抑制比和工作穩(wěn)定性也不十分理想。另一種方案是在微波頻段進(jìn)行鎖相調(diào)頻，也就是在鎖相振蕩器中采用兩點(diǎn)注入式調(diào)頻方式實(shí)現(xiàn)2 Mbit/s再入遙測信號的寬帶調(diào)頻，然后將其輸出的已調(diào)微波信號通過MMIC微波功率放大器放大到所要求的輸出功率電平。它克服了第一種方案的缺點(diǎn)，可達(dá)到較好的技術(shù)性能，是工程應(yīng)用中比較好的技術(shù)方案。兩點(diǎn)注入式調(diào)頻也有2種實(shí)現(xiàn)方式，即完全兩點(diǎn)注入式調(diào)頻方式和準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式調(diào)頻方式。前一種方式是將PCM信號分成兩路，一路注入到S波段壓控振蕩器，另一路注入到晶振參考源。在晶振進(jìn)行寬帶調(diào)頻，將與頻率穩(wěn)定度之間有一定的矛盾，具體實(shí)現(xiàn)有較大技術(shù)難度，而后一種方式卻不存在這一問題。本文研究的調(diào)頻遙測發(fā)射機(jī)將選用準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式調(diào)頻方式。

　　二、準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式鎖相調(diào)頻遙測發(fā)射機(jī)的構(gòu)成

　　準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式微波鎖相調(diào)頻遙測發(fā)射機(jī)的框圖如圖1所示，它由鎖相調(diào)頻源和功率放大器組成。其中，鎖相調(diào)頻源是由壓控振蕩器、分頻器鏈路、晶振參考源、鑒相器、環(huán)路濾波器、輸入調(diào)整電路、積分器和輸出微帶隔離器構(gòu)成。

　　在該調(diào)頻遙測發(fā)射機(jī)中，輸入的PCM信號經(jīng)過調(diào)整電路后被分成兩路，一路直接注入到S波段壓控振蕩器輸入端，使壓控振蕩器的輸出頻率隨著調(diào)制信號線性變化，實(shí)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，再對壓控振蕩器進(jìn)行調(diào)相來實(shí)現(xiàn)間接調(diào)頻。該調(diào)頻方式就稱為準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式微波分頻鎖相調(diào)頻。

　　三、準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式調(diào)頻特性的分析

　　圖2為準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式鎖相調(diào)頻電路的相位模型。圖中，為簡化分析，輸入調(diào)整電路未考慮進(jìn)去，但不影響分析結(jié)果。Kv(rad/sV)是壓控振蕩器的壓控靈敏度，N為分頻器鏈路的分頻比，Kd(V/rad)是鑒相器的鑒相靈敏度，Km(1/s)為積分器的積分時間常數(shù)，F(xiàn)(S)是環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)，UΩ(S)為輸入PCM信號。

　　由相位模型可得：

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　　為使調(diào)頻特性分析簡便，設(shè)θi(s)=0，解方程組(1)得出UΩ(s)引起的環(huán)路總輸出相位變化：

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　　環(huán)路的誤差傳遞函數(shù)為

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　　所以，產(chǎn)生的調(diào)制頻偏為

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　　式(4)表明，在準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式調(diào)頻中，合理設(shè)計(jì)積分器，選擇其積分常數(shù)Km滿足下列條件：

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　　其調(diào)頻特性將為一平坦的直線Kv，即可得到與環(huán)路響應(yīng)無關(guān)的寬帶調(diào)制特性。這一技術(shù)特性正好滿足高碼速率再入遙測信號的調(diào)頻要求。

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　　四、主要電路的設(shè)計(jì)

　　1.VCO調(diào)頻電路

　　為適應(yīng)2 Mbit/s PCM信號傳輸和寬帶調(diào)制的要求，采用的壓控振蕩器的調(diào)頻電路應(yīng)具有調(diào)制線性范圍寬、調(diào)制頻偏大的特性。據(jù)此，選用雙變?nèi)?a target="_blank">二極管部分電容接入回路形式的調(diào)頻電路，如圖3所示。

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　　圖中，電感L為一段四分之一波長、特性阻抗為100Ω的高阻抗微帶線，它將V1的正極直流接地。V1和V2為相同型號的變?nèi)荻O管，V3為壓控振蕩器的振蕩管。

　　要使2 Mbit/s PCM再入遙測信號能在調(diào)頻電路中產(chǎn)生調(diào)制響應(yīng)，并有較大的調(diào)制頻偏，其技術(shù)關(guān)鍵在于變?nèi)荻O管的選取。對于變?nèi)荻O管，它的結(jié)電容Cj和所加的電壓信號VR之間有如下關(guān)系：

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　　式中　φ為變?nèi)荻O管內(nèi)建電位差(對于GaAs管，φ=1.3 V); C′0是VR=0時的結(jié)電容，為一常數(shù);γ是電容-電壓斜率指數(shù)。

　　選擇變?nèi)荻O管時，電容-電壓斜率指數(shù)γ是我們應(yīng)考慮的重要因素。因?yàn)椋谩?的變?nèi)荻O管僅適用于窄帶調(diào)制，而1.2<γ<1.4的變?nèi)荻O管是寬帶調(diào)制的最佳選擇。例如，選取美國MACOM公司生產(chǎn)的GaAs超突變結(jié)變?nèi)荻O管MA46482，其γ值為1.25。

　　2.環(huán)路濾波器和積分器電路

　　環(huán)路濾波器和積分器電路如圖4所示。其中，環(huán)路濾波器采用有源比例積分低通濾波器，由運(yùn)算放大器CA3140E和R1、R2、C組成。積分器由另一個CA3140E和R0、C0構(gòu)成，為有源積分器。

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　　環(huán)路濾波器中R1、R2、C的值由環(huán)路自然諧振角頻率ωn和阻尼系數(shù)ξ這兩個參數(shù)決定，其計(jì)算公式為

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　　在設(shè)計(jì)中，選取ωn=2π×100 rad/s，ξ=0.707，Kv=2π×8×106 rad/sV，Kd=0.12 V/rad，N=320，C=0.1μF，經(jīng)過計(jì)算得到R1=477.4 kΩ，R2=22.5 kΩ。實(shí)際取R1=470 kΩ，R2=22 kΩ。

　　對于有源積分器，它的積分時間常數(shù)計(jì)算式為

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　　式中，A為運(yùn)算放大器的電壓放大倍數(shù)。已知CA3140E的A=2×104，由式(5)可計(jì)算出Km=18.85。若選取R0=2 MΩ，則由式(8)得

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　　另外，為確保有源積分器能正常工作，其運(yùn)算放大器的3腳應(yīng)接上一個20 kΩ的電阻。

　　3.分頻器鏈路

　　鎖相環(huán)路中的分頻器鏈路是使用“÷4分頻器”IFD-53110和“÷80分頻器”SE114來組成，如圖5所示。IFD-53110是MMIC微波高速分頻器，屬于微波和ECL電路，最高工作頻率達(dá)3 500 MHz。

　　SE114也屬于MMIC微波高速分頻器，最高工作頻率達(dá)1 000 MHz，其輸入電路為ECL邏輯，輸出電路為標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯接口，最低輸出電平0.5 V，最高輸出電平2 V。

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　　4.MMIC微波功率放大器模塊

　　調(diào)頻遙測發(fā)射機(jī)中的微波功率放大器采用由硅三極管管芯構(gòu)成的MMIC功放模塊，如圖6所示。它由激勵級、功率放大級和直流供電電路組成，其外形尺寸僅有30 mm×28 mm×10 mm，輸入和輸出均為微帶形式。該模塊的輸出功率大于5 W，功率增益21 dB，工作電流小于1 A。

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　　五、實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

　　本調(diào)頻遙測發(fā)射機(jī)中壓控振蕩器的振蕩管選用AT-42070晶體管，鑒相器是MC4344集成塊，晶振參考源選用溫補(bǔ)晶振ZWB-18B。將微波高速前置分頻器和壓控振蕩器電路制作在40 mm×30 mm的微帶片子上，鎖相環(huán)路和其它電路一起制作在76mm×70 mm的印制板上，整個發(fā)射機(jī)體積為158 mm×85 mm×35 mm。經(jīng)過精心調(diào)試和反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，調(diào)頻遙測發(fā)射機(jī)達(dá)到了以下主要技術(shù)指標(biāo)：

　　(1)工作頻率：S頻段;

　　(2)輸出功率大于7 W;

　　(3)頻率穩(wěn)定度達(dá)到±1×10-5;

　　(4)輸入2.048 Mbit/s PCM信號，調(diào)制頻偏±700kHz;

　　(5)雜波抑制比達(dá)55 dBc;

　　(6)工作電壓+27 V，電流小于1.3 A。

　　對于上述調(diào)制頻偏一項(xiàng)指標(biāo)，目前用頻偏儀還無法測量這么大的頻偏，只能使用頻譜儀進(jìn)行間接測量。按照調(diào)頻理論，對于單一頻率的PCM輸入信號，當(dāng)調(diào)制指數(shù)為mf時，調(diào)頻波的第一對邊頻分量與主頻分量的電平差：

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　　式中，J0(mf)、J1(mf)是零階和一階第一類貝塞爾函數(shù)。就2 Mbit/s調(diào)頻系統(tǒng)來說，PCM調(diào)制信號的最高頻率fm為1 MHz，按國際遙測標(biāo)準(zhǔn)要求，其調(diào)制頻偏應(yīng)為±700 kHz，相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)mf=0.7，由(9)式可計(jì)算出δA=-8.56 dB。因此，如果在頻譜儀上測得第一對邊頻分量與主頻分量的電平差值達(dá)到-8.5 dB左右，即可確認(rèn)為該調(diào)頻波的調(diào)制頻偏達(dá)到了±700 kHz。

　　六、結(jié)束語

　　采用準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式調(diào)頻方案的微波鎖相調(diào)頻遙測發(fā)射機(jī)，當(dāng)積分器的參數(shù)設(shè)計(jì)適當(dāng)時，調(diào)制特性與環(huán)路參數(shù)無關(guān)，使環(huán)路參數(shù)的設(shè)計(jì)范圍增大，有利于提高發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式微波鎖相調(diào)頻具有平坦的寬帶調(diào)制特性，該技術(shù)適用于2 Mbit/s再入遙測系統(tǒng)中調(diào)頻遙測發(fā)射機(jī)的研制。在電路實(shí)施方案中，大量使用了MMIC集成器件，使調(diào)頻遙測發(fā)射機(jī)的體積得到了小型化。文中的分析結(jié)果和給出的主要電路，對未來有關(guān)的工程研制有較大的技術(shù)參考價值。