应用于声纳信标的镜像抑制混频器设计*

李 程

(中国船舶重工集团公司第七一五研究所 杭州 310023)



应用于声纳信标的镜像抑制混频器设计*

李 程

(中国船舶重工集团公司第七一五研究所 杭州 310023)

论文提出了一种改进的镜像抑制混频器设计方案,实验结果表明该结构的混频器具有良好的镜像抑制性能,镜像抑制比大于40dB,且对正交信号幅相失配不敏感,能较好的满足所需指标要求。

声纳信标; 镜像抑制; 混频器

Class Number TN929.3

1 引言

当船只或飞机失事沉入海底时,为了快速对其进行定位,船只或飞机上都安装有声纳信标。入水后,声纳信标便自动激活,开始向水中周期性地发射特定信号形成的声信号,供搜寻设备接收声信号从而对其进行声学定位[1]。

搜寻设备接收到的水声信号频率较高,通常需要将信号放大、滤波并混频至可听范围[2],通过耳机中的信号有无和强弱来判断声纳信标的方位。

2 工作原理

混频器不仅需要有频率变换作用,还应具有镜像信号抑制等功能。镜像抑制技术是现代战争中电子对抗技术的一种。为了有效进行反干扰,在大型电子设备中几乎都采用了镜像抑制技术。此种技术应用在混频器设计上,使有用的信号能更充分地被利用,最大限度地抑制了镜像干扰信号。

普遍采用的混频器结构主要有Hartley结构和Weaver结构[3]。Hartley结构如图1所示,是Hartley于1928年提出的一种镜像抑制结构,它源于单边带(SSB)调制器。利用射频信号和镜像信号混频后得到的中频信号相位相差90°的现象,把输入信号分成两路进行处理,使得在两路输出信号中所希望得到的中频信号为同相位,而由镜象信号产生的中频信号相位相差180°,再把两路信号相加,使得镜像信号抵消。

图1 Hartley镜像抑制结构

若只考虑基波混频,而混频器的输入信号分别为:射频信号fS=VScosωSt,本振信号fL=VLcosωLt,镜频信号fJ=VJcosωJt,并假设fS>fL>fJ,混频过程中产生的和频信号被完全滤除。当射频信号和镜频信号同时输入混频器时,根据三角公式,90°本振混频通路经滤波移相后的混频产物为

(1)

0°本振混频通路经滤波后的混频产物为

(2)

经过加法器电路,混频器最后的输出信号为

VIF=VSVLcos(ωS-ωL)t

(3)

通过以上的推导,发现此结构的混频电路可以抑制镜频信号产生的同频假中频信号:VLVJcos(ωL-ωJ)t,而对于fS

Hartley结构的主要缺点是对相位和增益失配很敏感[4]。当存在相位和增益失配时,在相加后只能部分的抵消镜像信号,从而降低了镜像抑制。另外,90°移相网络引起的增益损失和噪声以及相加电路的线性度也是很重要的性能参数。90°移相网络由于电阻与电容的不匹配,还会引入附加的增益与相位失配,从而降低镜像抑制。

3 电路实现

图2为改进的镜像抑制混频器结构。

图2 改进的镜像抑制混频器

可以证明,在电路内部只要满足90°的相位差,即φ1-φ2=90°,这种混频电路同样可以抑制镜频干扰。并且电路结构采用对称设计,更容易获得理想的幅相平衡,镜频抑制的效果会比较理想,同时对温漂也会有很好的抑制。

本项目设计的混频器的输入信号为40KHz的音频脉冲信号,脉冲宽度10ms,周期1s,将其通过混频器下变频到7KHz,要求具有40dB的镜频抑制比。

3.1 混频电路

本项目使用双平衡混频器(DBM)电路[5～7]。DBM电路是对两个输入信号进行乘法运算的常用电路。有利用二极管的DBM电路与利用晶体管的DBM电路,在这里使用电路简单由二极管构成的DBM电路。采用称之为肖特基势垒二极管四合一元件的ND487C1-3R(NEC)构成,这是由特性一致的四个二极管在内部连接而成的DBM专用零件。输入功率以3dBm(约2mW)～12dBm(约16mW)为好,此时的变换损失为5.5dB,电路整体的变换损失合计应为8.5dB。

3.2 移相电路

由一阶RC网络实现的移相电路原理图如图3所示。取φ1=135°,φ2=45°,电阻R=1kΩ,计算可得135°和45°移相电路对应的电容C取值分别为1582PF和9200PF。

图3 移相电路

3.3 滤波器

所需设计的低通滤波电路指标为:截止频率fC=7kHz,增益10dB,四阶巴特沃斯型低通滤波电路[8～9],如图4所示。

图4 四阶巴特沃斯型低通滤波电路

图5 加法电路

3.4 加法电路

4 实验结果

对该混频电路进行仿真实验[10～11],工作电压为5V,本振信号频率为33KHz,射频信号频率为40KHz,镜像信号频率为26KHz,其中射频信号和镜像信号的功率均为3dBm。图6为示波器测得的输入信号波形。图7为示波器测得的输出信号波形。可以看出混频后的输出信号频率已降到7KHz。频谱仪测量可得中频信号的功率为2.43dBm,而假中频信号的功率为-41.34dBm,则可以得出镜像抑制比约为43.7dB。因此本文所设计的镜像抑制混频器满足镜像抑制比优于40dB的设计指标。

图6 射频信号波形

图7 中频信号波形

5 结语

本文基于Hartley混频器结构进而提出了一种改进的镜像抑制解决方案,电路结构简单,体积较小,混频效率高。实验结果表明所提出的镜像抑制解决方案的镜像抑制比达到了40dB以上,该方案能够有效实现镜像抑制。在声纳信标、捷变频雷达、遥测遥控、通信及测量等系统中具有较高的应用价值。

[1] 田坦,刘国军,孙大军.声呐技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000.

[2] R.J.尤立克.水声原理[M].洪中,译.哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社,1990.

[3] Behazad Razavi. RF Microelectronics[M].北京:清华大学出版社,2003.

[4] A. Q. Safarian, et al. Design and Analysis of an Ultra Wideband Distributed CMOS Mixer[J]. IEEE Trans on VLSI Systems,2005,32(3):618-629.

[5] 顾其净,等.微波集成电路设计[M].北京:人民邮电出版社,1978.

[6] 《中国集成电路大全》编委会.微波集成电路[M].北京:国防工业出版社,1985.

[7] 黄智伟.射频电路设计[M].北京:电子工业出版社,2006.

[8] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].第三版.北京:高等教育出版社,2001.

[9] Behbahani F, Kishigami Y, Leete J, et al. CMOS Mixers and Ployphase Filters for Large Image Rejection[J]. IEEE Journal of Solid-state Circuits,2001,36(6):873-887.

[10] Sher J F, Bellaouar A, See T L, et al. An Image-Rejection Down-Converter for Low-IF Receivers[J]. IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques,2005,53(2):478-487.

[11] Neuf D, Spohrer S. Conventional and New Applications for the Quadrature IF Microwave Mixer[J]. Microwave Journal,1983,26(1):103.

Design of Image Rejection Mixer for Sonar Beacon

LI Cheng

(No. 715 Research Institute of CSIC, Hangzhou 310023)

This paper presents a design scheme of the improved image rejection mixer. The experimental results show that the mixer with the structure has good image rejection performance, its image rejection ratio is greater than 40dB and it is insensitive to the orthogonal signal amplitude and phase mismatch. The mixer can meet the required specifications better.

sonar beacon, image rejection, mixer

2014年11月13日,

2014年12月20日

李程,男,硕士研究生,助理工程师,研究方向:声纳低频电路。

TN929.3

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.036