小型化S波段锁相遥测发射组件

2018-06-19中国电子科技集团公司第十三研究所张轶鹏

电子世界 2018年11期

中国电子科技集团公司第十三研究所张轶鹏

上海无线电设备研究所黄红云

1 前言

在现代遥测系统中，S波段遥测发射组件是及其重要的射频设备。系统要求该设备不仅工作稳定可靠，而且具有小体积、易调试、低杂散、高码率等特性[1]。

在PCM 发展初期，所需电路相当复杂,经济性与可靠性很差。50 年代末, 半导体技术的发展使PCM 电路系统成本大幅下降,数字式PCM 通信方式得到很好的发展。我国从60 年代开始研制二元PCM遥测系统，80 年代初形成了新的多元PCM- PPK遥测系统，S波段PCM 遥测发射组件作为遥测系统的关键部分也获得了很好的发展。最初的 PCM 发射组件采用晶振调频、多次倍频和放大的技术方案，由于其结构复杂、调试困难、频稳度低、体积大、码率低等缺点早已淘汰。通过直接调频、倍频、放大技术设计的PCM 发射组件，虽然可以得到较大的调制频偏，但由于倍频环节的存在，使系统噪声积累和输出功率下掉。在晶振上直接调频导致频稳度很差，而且结构庞大[2]。

纵观上述PCM 发射组件的设计，码速率较低、体积较大是它们的最大不足，已经无法适应现代系统的需要。

本文讨论的一点注入式锁相技术设计的PCM 发射组件，具有小体积，易调试，低杂散、码率高等特点，发射组件输出功率为2W 以上。

2 遥测发射组件

其工作原理是：锁相环作为相位负反馈系统，把系统输出信号的相位锁定在输入信号的相位上。在锁相环中，鉴相器把经分频后的信号和参考信号的相位进行比较，产生对应于两信号相位差的误差电压。环路滤波器滤除误差电压中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。输出的压控振荡器，使其频率向参考信号频率靠近，也就是使两者频率之差越来越小，直至消除频差而锁定，同时，调频（FM）信号通过预调电路迭加到VCO的电调控制端，最后经放大滤波输出所需的微波调频信号[2]。调制锁相源把晶振信号倍频锁相到需要的微波频率，在锁相倍频的同时，把要调制的PCM数据流通过预调制，加到频率源的线性压控振荡器上，实现PCM的数据的FM调制，调制后的信号经功率放大后到1W，再经低通滤波输出。原理框图如图1所示。

该遥测组件发射组件要求的实现功能多、体积小、工作温度范围宽，可靠性高。目前微波调频锁相源常采用的方案有两类。

第一类：一点注入式微波锁相调频。调制信号直接加在微波压控振荡器(VCO)的电调输入端，使VCO的输出频率随调制信号线性变化，该调频方案称为一点注入式微波锁相调频，图2为其原理框图。

该电路通过把锁相环路的截止频率设置的低于调制信号的最低频率即可实现对VCO的直接锁相调频，具有电路简单，调试方便的特点。

图1 遥测发射组件原理框图

图2 一点注入式锁相调频电路框图

第二类：准两点注入式微波锁相调频。将调制信号分成2路，一路直接注入到VCO输入端，使VCO的输出频率随调制信号线性变化，实现直接调频；另一路经过一个积分器注入到环路滤波器输入端口后，再对VCO进行调相来实现间接调频。该调频方式就称为准两点注入式微波锁相调频，其电路构成框图如图3所示。

图3 准两点注入式锁相调频电路框图

该电路通过设计积分器的积分常数可以实现调制特性与环路响应无关的特点，但电路较复杂，体积较大，积分常数和预调电路的配合调试复杂。

综合考虑该发射电路的技术指标，我们采用一点注入式微波锁相调频方案来实现。

3 详细设计

S波段锁相源输出频率为2200 MHz～2400MHz,步进为500kHz，通过用户提供的三线来配置频率。

对S波段锁相源来说，其电路设计主要包括晶振设计、环路滤波器设计、压控振荡器设计、预调电路设计等。下面逐一进行详细分析。

（1）晶振设计

鉴于该锁相源对相噪指标无很高的要求以及体积的限制，采用20MHz小型贴装的温补晶振为锁相环提供参考信号，输出信号为方波。温补晶振型号为PXM07A-H-KW-N@20M，其温度稳定度可达到≤±3×10-5，从而可满足指标≤±5×10-5要求。

（2）环路滤波器设计

该锁相源参考信号为20MHz方波，鉴相频率为500kHz，射频信号范围为2.2GHz～2.4GHz，步进为0.5MHz，环路滤波器采用无源设计，环宽约为80Hz，环路滤波器参数如图4所示。

寄生调频主要是锁相源在外加调制信号下的偏移失真。通过合理设计锁相环路的带宽，在满足调制频响的前提下尽量加宽环路带宽，从而使锁相源的带内噪声较好即可减小寄生调频的影响。对此，由于调频信号的速率为100Hz～5MHz，因此，通过经验可知当环宽设置为几十Hz时即可达到指标要求。其环路参数设计如下。

参考源的频率为20MHz，鉴相频率为500kHz，采用高增益三阶环的设计公式进行计算，然后由实验来验证所设条件是否满足，计算是否合理。首先根据实际需要，正确选择锁相环中的以下几个参数。

阻尼系数ξ：阻尼系数ξ是一种描述锁相本振信号稳定性的参数，ξ值的大小将直接影响锁相环路的瞬态特性。ξ值太大，锁相环路处于过阻尼状态，使锁相环路的低通特性变差，滤除不掉鉴相频率；ξ值太小，锁相环路处于欠阻尼状态，使锁相环路的瞬态特性有较大过冲，将使捕捉时间加长。为了兼顾锁相环路的过渡时间及噪声带宽，ξ一般取（1/2）1/2，即ξ＝0.707；

噪声带宽Bn：噪声带宽Bn用来表示环路滤除噪声的能力。噪声带宽Bn越小，环路滤除带外噪声的能力越强。即当噪声通过环路时，可以把环路看作噪声带宽为Bn的滤波器。在此根据实际工程需要选取Bn=80Hz，根据实测结果，寄生调频约3kHz，环路滤波器设计如图4所示。

图4 环路滤波器设计

其中环路相应如图5所示。

图5 环路相应示意图

（3）压控振荡器设计

采用了我所自行研制的双调谐压控振荡器（VCO），电路简单、性能稳定可靠、具备批生产的能力。

VCO粗调端接环路滤波器，完成调相功能。PCM调制信号经预调电路后接入VCO的细调端，使VCO的输出频率随调制信号线性变化，实现直接调频的功能，最高调制速率不低于10MHz。原理框图如图6所示。

（4）预调电路

调制信号0～5Vpp，100Hz～5MHz，正调制极性，调制频偏2MHz±20%。VCO细条灵敏度约3MHz/V，因此调制信号接入细调端之前需进行分压处理，将平均电压降至0.7V左右，来解决器件灵敏度高对调制频偏的影响，同时通过温补措施来减小VCO线性度差对调制频偏在温度特性下的影响，从而使产品在高码速率的频响特性下，保持比较稳定的调制频偏。预调电路原理图如图6所示。

图6 双调谐压控振荡器设计原理

4 样品制备及结果分析

根据上述方案，我们研制出S波段锁相遥测发射组件，本文对发射组件性能进行测试，结果如下：工作频率2.2-2.4GHz，步进0.5MHz，输出功率≥1W，频偏为2MHz±10%，频率稳定度优于±5×10-5，相噪达到-90dBc/Hz@10kHz,输出杂波、谐波不小于60dB，与设计值完全相符。发射组件如图7所示，载波频谱如图8所示。