，薛 軍，謝 勇

(中國衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

X頻段信標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

梁 盛，潘高峰**，薛 軍，謝 勇

(中國衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

為滿足船載X頻段測(cè)控設(shè)備信道相位修正和伺服性能檢查的需要，設(shè)計(jì)并研制了一款X頻段信標(biāo)機(jī)。首先，選用HMC765LP6CE芯片，利用頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)了信源并通過通用串行總線(USB)實(shí)現(xiàn)了發(fā)射頻率用戶自定義；其次，針對(duì)安裝平臺(tái)面積小的限制，基于高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)設(shè)計(jì)了高次模微帶天線并完成了仿真分析和指標(biāo)優(yōu)化；最后，完成了X頻段信標(biāo)機(jī)的工程實(shí)現(xiàn)并給出了硬件電路結(jié)構(gòu)和軟件程序設(shè)計(jì)方法。經(jīng)測(cè)試,該信標(biāo)機(jī)鎖相效果良好，控制簡便，性能可靠,滿足用戶使用要求。

X頻段測(cè)控設(shè)備;信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì);直接頻率合成;微帶天線

1 引 言

因遠(yuǎn)洋測(cè)控的特殊性，船載X頻段測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)受鹽霧、濕度、溫差等因素的影響較大，其信道相位有可能發(fā)生變化，同時(shí)也有必要對(duì)伺服跟蹤性能等進(jìn)行標(biāo)校檢查。在海上無標(biāo)校塔的情況下，通常采用放球方式。所謂放球，就是釋放攜帶有信標(biāo)的探空氣球，測(cè)控設(shè)備對(duì)信標(biāo)進(jìn)行跟蹤并開展相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證的過程[1]。氣球所攜帶的信標(biāo)是一種射頻信號(hào)發(fā)生器，能夠通過天線發(fā)射適用于測(cè)控設(shè)備跟蹤的信號(hào)。

中國衛(wèi)星海上測(cè)控部是國內(nèi)唯一負(fù)責(zé)完成海上測(cè)控試驗(yàn)任務(wù)的單位，且用于海上無塔標(biāo)校的信標(biāo)機(jī)因應(yīng)用環(huán)境特殊、頻段需求多樣、小型化和可靠性要求高等因素導(dǎo)致國內(nèi)廠商的新研成本很高、研制周期較長，所以有必要以滿足用戶使用要求為出發(fā)點(diǎn)，依靠自身技術(shù)能力，設(shè)計(jì)并研制一款應(yīng)用于海基平臺(tái)無塔標(biāo)校的X頻段信標(biāo)機(jī)。

2 信源設(shè)計(jì)

X頻段信標(biāo)機(jī)的信源須具備頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、工作穩(wěn)定可靠、輸出信號(hào)頻譜純度高等特點(diǎn)。本文采用了直接頻率合成技術(shù)，通過相參合成方法，基于Hittite公司的HMC765LP6CE芯片開展信源的設(shè)計(jì)研制。此頻率合成器具備驅(qū)動(dòng)混頻器等模擬器件的能力，內(nèi)部集成了壓控振蕩器、鑒相器、移位寄存器以及電荷泵，其中還包括R與N兩個(gè)分頻器[2]，可以很大程度上減小噪聲對(duì)鎖相環(huán)路帶來的不利影響，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。主要技術(shù)參數(shù)[3]：輸入?yún)⒖碱l率100 kHz～220 MHz,基波輸出的頻率范圍7.8～8.8 GHz,典型輸出功率13 dBm。

在工程應(yīng)用中，可利用SPI總線通過改寫內(nèi)部寄存器方式對(duì)輸出頻率進(jìn)行設(shè)置，此配置方式簡單高效，僅需通過簡單的三線式串行接口即可實(shí)現(xiàn)。HMC765LP6CE芯片功能框圖如圖1所示，引腳28～30為SPI控制端，引腳18為電荷泵輸出。

圖1 頻率合成器HMC765LP6CE功能框圖Fig.1 Functional block diagram of HMC765LP6CE

3 天線設(shè)計(jì)

X頻段信標(biāo)機(jī)在實(shí)際使用中外掛在探空氣球下方且在放飛過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)姿態(tài)翻滾，所以對(duì)其安裝平臺(tái)的小型化、輻射指向性要求較高。本文基于電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS設(shè)計(jì)一款小型化高次模微帶天線以滿足上述需求。此天線采用貼片形式，仿真模型如圖2所示，圖示中隱藏了采用尼龍材料的透波天線罩。

圖2 高次模微帶天線仿真模型

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，定義此天線的貼片尺寸:基片半徑為20 mm，高度為1.4 mm;輻射貼片長度為19.5 mm，寬度為20.3 mm。將圖2所示模型在HFSS進(jìn)行仿真分析，并以饋電位置為參數(shù)進(jìn)行性能優(yōu)化，最終的仿真結(jié)果如圖3所示。

(a)方向圖

(b)駐波比仿真結(jié)果圖3 方向圖與駐波比仿真結(jié)果Fig.3 Simulation result of radiation pattern and voltage standing-wave ratio

從仿真結(jié)果可知，頻率在8.5 GHz±10 MHz內(nèi)的駐波比≤1.46；增益最大值為4.28 dB(仰角61°)，水平方向增益>0.33 dB，垂直方向增益最?。惶炀€方向圖形狀為“8”字形，水平360°全向。

在工程實(shí)現(xiàn)中，受電路板金屬敷料影響，天線方向圖會(huì)略微向上偏轉(zhuǎn)，水平方向的天線增益略有損失，但仍然滿足增益≥0 dB的指標(biāo)要求。研制的天線實(shí)物如圖4所示。

圖4 天線實(shí)物圖Fig.4 Photo of the developed higher-order mode micro-strip antenna

4 X頻段信標(biāo)機(jī)工程實(shí)現(xiàn)

X頻段信標(biāo)機(jī)的原理框圖如圖5所示。由圖可見，X頻段信標(biāo)機(jī)采用有源晶振作為統(tǒng)一參考源，其他所需頻率均由參考源分頻、混頻和倍頻得到，從而保證了頻率的精度和穩(wěn)定度。單片機(jī)選用C8051F320，利用其集成USB控制器的特點(diǎn)，方便實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的控制[4]。其工作原理為單片機(jī)通過接收USB通道的控制信息或讀取片內(nèi)寄存器的對(duì)應(yīng)扇區(qū)，對(duì)預(yù)分頻器和鑒相器進(jìn)行參數(shù)控制，預(yù)分頻器輸出信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)入鑒相器后輸出誤差信號(hào)，誤差信號(hào)經(jīng)低通濾波、放大后控制壓控振蕩器產(chǎn)生X頻段射頻信號(hào)，該射頻信號(hào)分為兩路輸出：一路經(jīng)放大器、隔離器后通過天線發(fā)出；另一路經(jīng)耦合器反饋至預(yù)分頻器，形成閉環(huán)。

圖5 X頻段信標(biāo)機(jī)原理框圖Fig.5 Functional block diagram of X-band beacon

4.1硬件電路設(shè)計(jì)

本文方案中選用50 MHz作為環(huán)路的參考時(shí)鐘輸入，鎖相環(huán)路中的VCO輸出上、下限值分別為8.8 GHz和7.8 GHz。在圖1中，HMC765LP6CE(簡稱HMC765)的引腳28～30分別與C8051F320的3個(gè)通用I/O口相連，通過C8051F320向HMC765寫入控制字以實(shí)現(xiàn)改變或設(shè)置輸出頻點(diǎn)的功能。

鑒相器的誤差信號(hào)送入電荷泵，電荷泵將這個(gè)誤差信號(hào)轉(zhuǎn)化成直流信號(hào)(含部分高頻分量)后送入環(huán)路濾波器后，由HMC765引腳18(CP)輸出，將引腳18與引腳6(VTUNE)短接，使信號(hào)最后鎖定在X頻段，最終的射頻信號(hào)由引腳38(RFOUT)產(chǎn)生。

在鎖相環(huán)設(shè)計(jì)中，環(huán)路濾波器的選擇和設(shè)計(jì)是非常重要的一環(huán)，其質(zhì)量直接決定了鎖相環(huán)的性能指標(biāo)的高低。無源環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)簡單、成本低并且對(duì)帶內(nèi)相位噪聲影響小，但是在本方案設(shè)計(jì)中，壓控振蕩器的調(diào)諧電壓比較高，鑒相器的輸出電壓不足以提供其調(diào)諧電壓，因此必須采用有源環(huán)路濾波器。這里采用了常用的三階有源環(huán)路濾波器，所選擇的運(yùn)算放大器為ADI公司的AD822芯片，其單端輸出電壓3～36 V，滿足設(shè)計(jì)需要。

4.2軟件設(shè)計(jì)

為提高X頻段信標(biāo)機(jī)的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)頻段內(nèi)任意頻率可設(shè)，需要通過上位機(jī)進(jìn)行控制。其中，上位機(jī)負(fù)責(zé)編排指令幀，考慮到接口通用性，采用USB接口進(jìn)行指令發(fā)送；單片機(jī)負(fù)責(zé)接收指令，在將指令幀存入片內(nèi)寄存器的同時(shí)寫入HMC765寄存器進(jìn)行頻率控制。

4.2.1單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序流程如圖6所示，主要功能為USB通信配置、讀寫片內(nèi)寄存器、SPI通信配置，初始化端口配置、USB模式配置、讀取片內(nèi)寄存器數(shù)據(jù)以及對(duì)HMC765寄存器進(jìn)行寫操作。當(dāng)USB接口完成匹配并接收到上位機(jī)指令幀時(shí)，需將數(shù)據(jù)按照先擦除再寫入原則放入片內(nèi)寄存器，并同步將數(shù)據(jù)通過SPI總線按照操作時(shí)序?qū)懭際MC765寄存器，完成頻率設(shè)置，實(shí)現(xiàn)用戶自定義配置。

圖6 單片機(jī)程序流程圖Fig.6 Program flow chart of SCM

4.2.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

X頻段信標(biāo)機(jī)需要根據(jù)任務(wù)實(shí)際，靈活配置頻率。上位機(jī)軟件的功能是對(duì)用戶輸入的頻率值進(jìn)行轉(zhuǎn)換組幀，并通過USB口發(fā)出。

研制中為減少單片機(jī)程序編寫難度，數(shù)據(jù)幀除幀頭、幀尾外，數(shù)據(jù)域嚴(yán)格按照HMC765寄存器中頻率設(shè)置單元進(jìn)行編制，數(shù)據(jù)域內(nèi)容由HMC765的頻率轉(zhuǎn)換公式直接轉(zhuǎn)換產(chǎn)生。本文采用Delphi進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，對(duì)于USB調(diào)用采用Silicon Labs提供的USB Xpress開發(fā)包[5]，將SiUSBXp.h轉(zhuǎn)為SiUSBXp.pas，配合SiUSBXp.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫，可以方便地實(shí)現(xiàn)USB串行通信。程序運(yùn)行界面如圖7所示。

圖7 主程序運(yùn)行界面Fig.7 Interface of main program

5 測(cè)試驗(yàn)證

硬件電路與軟件設(shè)計(jì)完成后，2014年擇機(jī)在東海某海域釋放了探空氣球，對(duì)X頻段信標(biāo)機(jī)的信標(biāo)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試，徑向距離14 km，下行點(diǎn)頻8.45 GHz，在遠(yuǎn)洋測(cè)量船機(jī)房對(duì)射頻頻譜進(jìn)行截圖，如圖8所示。由圖可見，頻譜純度較好，信號(hào)強(qiáng)度為-15.8 dBm，雜波抑制度30 dBc，滿足用戶使用要求。

圖8 測(cè)試頻譜圖Fig.8 Test spectrum

本文研制的X頻段信標(biāo)機(jī)在探月工程二期海基平臺(tái)適應(yīng)性跟蹤中得到了實(shí)際應(yīng)用，滿足了用戶海上無塔標(biāo)校及伺服性能檢查的需要，發(fā)揮了重要作用。

6 結(jié) 論

本文根據(jù)船載X頻段測(cè)控設(shè)備海上無塔標(biāo)校及伺服性能檢查的需要，設(shè)計(jì)并研制了一款X頻段信標(biāo)機(jī)。該信標(biāo)機(jī)以頻率合成器HMC765LP6CE為射頻源，通過USB總線可以完成輸出頻率的用戶自定義。基于HFSS設(shè)計(jì)研制了貼片式高次模微帶天線，實(shí)現(xiàn)了射頻信號(hào)的有效輻射。實(shí)踐證明，信標(biāo)機(jī)信號(hào)質(zhì)量良好，頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度和雜波抑制度等指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足?；脚_(tái)測(cè)控設(shè)備需求。

[1] 鐘德安.航天測(cè)量船測(cè)控通信設(shè)備標(biāo)校與校飛技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[2] Hittite Company.HMC765LP6CE data sheet[M].Massachusetts:Hittite Company,2011.

[3] 薛軍,于新峰. S頻段擴(kuò)頻信標(biāo)設(shè)計(jì)與仿真[C]//2010年載人航天研討會(huì)論文集.杭州：中國載人航天工程辦公室，2010:641-643.

[4] 潘琢金.C8051F高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[5] Silicon Labs.AN169 USBXpress programmer′s guide[M].Austin,Texas:Silicon Labs,2011.

DesignandImplementationofanX-bandBeacon

LIANG Sheng,PAN Gaofeng,XUE Jun,XIE Yong

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China)

An X-band beacon is designed and implemented to satisfy the need of phase correction and servo performance checking for shipborne X-band tracking,telemetry and command(TT&C) system. HMC765LP6CE is used as signal source by frequency synthesis technique and customized definition of transmitting frequency is realized via universal serial bus(USB).For the limitation of small area of installation platform,high-order mode micro-strip antenna is designed based on High Frequency Structure Simulator(HFSS) and simulated analysis and index optimization are completed.Finally,hardware circuit structure and software design approach for the X-band beacon are given.Test indicates that this beacon satisfies user′s requirements and has many advantages such as working well in phase-lock,easy operation and dependable performance.

X-band TT&C equipment;beacon design;direct frequency synthesis;micro-strip antenna

date:2016-11-25；Revised date：2017-04-11

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.09.019

梁盛，潘高峰，薛軍，等.X頻段信標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2017,57(9):1088-1091.[LIANG Sheng,PAN Gaofeng,XUE Jun,et al.Design and implementation of an X-band beacon[J].Telecommunication Engineering,2017,57(9):1088-1091.]

TN836

：A

：1001-893X(2017)09-1088-04

梁盛(1985—)，男，江蘇揚(yáng)州人，2011年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航天測(cè)控總體技術(shù)方面研究；

Email：murongxd@163.com

潘高峰(1972—)，男，遼寧錦州人，1995年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要從事智能儀器、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)方面研究；

Email:pgfzhy@163.com

薛軍(1971—)，男，內(nèi)蒙包頭人，2002年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要從事航天測(cè)控總體技術(shù)方面研究；

謝勇(1972—)，男，江西余江人，2004年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要從事航天測(cè)控總體技術(shù)方面研究。

2016-11-25；

：2017-04-11

**通信作者：pgfzhy@163.com Corresponding author：pgfzhy@163.com