干涉仪比相法瞬时测频技术

朱伟峰　葛新灵　赵健鹏

【摘 要】本文主要介绍了一种干涉仪比相法瞬时测频技术及设计实现，首先介绍了干涉仪比相法瞬时测频的基本工作原理，并给出了具体实现电路及实际测试结果，并对测频误差进行了分析。

【关键词】瞬时测频；比相法；测频误差

0 前言

一讲到对信号频率的测量，人们自然就想到利用具有窄带中频特性的外差式接收机搜索测频，外差式接收机的技术特色是把频带较宽的高频信号变换到固定的、窄带的中频信号。然而，由于外差式接收机测频需要通过扫描本振搜索信号，如果信号存在的时间很短，接收机可能来不及截获信号，当然也就无法测出信号的频率，因此外差接收机测频不是瞬时测频体制。

瞬时测频要求是宽开，即接收机不能在频域上搜索，在规定频率范围内的信号首先必须在短时间进入接收机。瞬时测频常采用的方法包括信道法、鉴频法、干涉仪比相法等，本文介绍的瞬时测频组件采用了干涉仪比相法，具有相对简单且测频灵敏度高的优点。

1 工作原理

干涉仪比相法瞬时测频的基本思想是将频率信息转换成相位信息，再根据相位推算信号的频率。将频率信息转换成相位信息可以通过让信号分别通过不同长度传输线获得，此时两路信号的相位差正比于频率和两条传输线的电长度差。可以用下式表达：

ΔΦ=（2πl/c）f（1）

由于相位不便于直接测量，需要转化为幅度信息，鉴相器（干涉仪）就是将相位差转化成幅度的部件。同时为了消除输入信号功率对鉴相器输出的影响，需要使用两个鉴相器进行正交鉴相。其工作原理如图1所示，两路输出分别为D1=AsinΔΦ、D2=AcosΔΦ。不难得出相位差信息，即：

ΔΦ=arctan（D1/D2）（2）

图 1 干涉仪比相法瞬时测频原理

一般正交鉴相器生成正弦、余弦变化的信号后，工程实现上很少直接按式（2）求反三角函数，可以首先分别进行A/D采样量化处理，并对量化结果按照一定的规则进行编码，最后将二进制频率信息码输出。

2 设计与实现

A.主要设计考虑

测频精度：为了在较宽的频带内获得较高的测频精度，必须采用较长的相移线来获得更大的频相转换比率，这样在整个带宽内必然会引起相位信息的重复，即造成测频模糊问题，须采用长短基线的方法解决，短基线在被测频率范围内具有引起的相移是唯一的，长基线提供了较高的频相转换比率从而保证测频的精度，根据频率的带宽、要求的精度等因素可以确定长短基线的数量。

瞬时测频组件测频精度影响因素：干涉仪的数量、进制关系、鉴相误差等。其中鉴相误差是干涉仪数量与进制关系确定的重要因素，鉴相误差的主要来源可以分为三个部分：频相转换、信号干涉及取出干涉结果时引入的相位误差。

频相转换部分电路移入的相位误差主要由功分器不平衡（1度）和电路不匹配（相位误差的计算公式如下）造成。

Δ≤arcsin（8x■）

x=■（3）

由（3）式可以计算出：当驻波比小于1.3，相位误差一般小于5度。

信号干涉时引入的相位误差主要来自I/Q鉴相电路的不平衡性，对于目前较为成熟的I/Q鉴相器一般相位不平衡性约3度。

取出干涉结果时引入的相位误差主要由ADC电路部分采样的分辨率有关，由此带来的相位误差和上述两个方面相比可以忽略。综合上述分析，单个测频单元的相位误差约9度，这就要求在一个周期（360度）内最多分区个数不能超过40个，考虑到设计裕度，本设计低位码采用32个区间，同时长基线在被测频率范围内（f1～f2，带宽800MHz）共形成5个周期，即共160个区间，最小测试频率（测频精度）为Δf=800MHz/160=5MHz。

测频灵敏度：测频灵敏度主要取决于测频组件的噪声系数及信号处理带宽。相对于单通道的接收组件，多通道组件在设计时必须考虑多通道功分电路引入的损耗，组件前端设计了50dB高增益低噪声限幅放大器以降低后端电路损耗引入噪声以及及被测信号幅度变化带来的影响，同时设计高性能带通滤波器以便滤除带外噪声，达到提升灵敏度的目的。信号处理带宽越窄测频灵敏度越高，但同时亦会降低瞬时测频速度，因此在设计时需要综合考虑两方面因素，信号处理带宽选择为10MHz。

B.组件的组成与电路设计

本文提出的瞬时测频组件组成主要包括：限幅放大滤波电路、功率分配电路、相移网络、AD采样及编码电路等。组成框图如图2所示。

限幅放大滤波电路采用了高增益约50dB低噪声放大器与微带平行耦合线带通滤波器实现，很好的保证了组件的噪声系数特性及带外杂散信号的滤除。

图2 比相法瞬时测频组件的组成

瞬时测频中一个很关键的组成部分是相移网络，它完成频率信息到相位信息的转换，是设计时必须重点考虑的。为了在要求测试频带内获得较高的测频精度，必须采用足够大的频相转换比，需要使用长基线；同时为了消除测频结果的多值性，需要使用短基线。经对测频误差的要求、实际电路的相位一致性等多种因素综合考虑，本组件采用了两个基本干涉仪测频单元实现，并对长、短基线相移网络电路特性进行仿真计算。

3 测试结果与误差分析

经过对瞬时测频组件的测试，组件测频灵敏度达到-75dBm，测频精度为5MHz，测频速度小于100ns。同时对组件高低温下的稳定性进行了测试，在高温时输入信号为-75dBm时，部分频率测频误差略有恶化，约为8MHz，测试结果如图3所示。

分析：由图3可以看出，在射频信号输入功率-75dBm时，测频误差基本上在5MHz以内，部分频率点高温下误差超过8MHz，分析其中原因：一是，I/Q鉴相器本振功率高温下变小，造成鉴相器损耗增加，可以通过提高本振输出功率解决；二是，存在干扰信号，包括射频以及数字电路部分，通过增加滤波电路、屏蔽，将数字电路与模拟电路隔离解决。

【参考文献】

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[2]Colin Sinclair. A Coplanar Waveguid 6-18GHz Instantaneous Frequency Measurement Unit for Electronic Warfare Systems[J]. IEEE MTT-S， 1994 Page（s）：1767-1770.

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