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(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

0 引言

超寬帶脈沖是指電場(chǎng)峰值較大的、上升時(shí)間在納秒或亞納秒量級(jí)、脈沖持續(xù)時(shí)間在納秒(ns)或者亞納秒量級(jí)、頻譜寬度為幾十MHz～幾個(gè)GHz的單極性或者雙極性的非調(diào)制的電磁波[1-4]。因超寬帶脈沖具有前沿快、脈寬窄、頻譜寬的特點(diǎn)，可作為電子設(shè)備的干擾源。當(dāng)前，針對(duì)超寬帶脈沖對(duì)電子設(shè)備的效應(yīng)研究多集中于系統(tǒng)級(jí)的仿真和實(shí)驗(yàn)分析上。文獻(xiàn)[5-8]分別介紹了超寬帶脈沖對(duì)無(wú)線(xiàn)電引信、GPS接收機(jī)、通信電臺(tái)等電子設(shè)備的效應(yīng)研究成果。而超寬帶脈沖對(duì)電子器件的效應(yīng)研究則較少，且多側(cè)重于超寬帶脈沖對(duì)電子器件的毀傷效應(yīng)研究上[9-10]。針對(duì)超寬帶脈沖對(duì)電子器件的干擾效應(yīng)研究，文獻(xiàn)報(bào)道較少，文獻(xiàn)8研究了重頻超寬帶脈沖對(duì)低噪聲放大器的干擾效應(yīng)，給出了重頻超寬帶脈沖對(duì)低噪聲放大器的干擾特征以及脈沖參數(shù)對(duì)干擾特征的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)滿(mǎn)足一定參數(shù)要求的重頻超寬帶脈沖注入低噪聲放大器時(shí)可壓制低噪聲放大器的正常輸出。

接收機(jī)射頻前端為電臺(tái)等通信設(shè)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其一般包含限幅器、低噪聲放大器、濾波器、混頻器等關(guān)鍵電子元器件，用以實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的接收、濾波、限幅、放大、和變頻等功能。

混頻器同低噪聲放大器一樣為通信設(shè)備接收機(jī)射頻前端的重要組成組件，其技術(shù)性能對(duì)通信設(shè)備接收機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)有重要的影響。因此，研究重頻超寬帶脈沖對(duì)混頻器的干擾特征有助于分析重頻超寬脈沖對(duì)通信設(shè)備的干擾效應(yīng)機(jī)理。

1 混頻器工作原理

混頻器是一種非線(xiàn)性時(shí)變電路，依靠電路本身的非線(xiàn)性來(lái)完成頻率轉(zhuǎn)換。根據(jù)所使用的非線(xiàn)性器件，混頻器可分為二極管混頻器、晶體管混頻器和場(chǎng)效應(yīng)管混頻器；根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同，主要分為單管混頻器、平衡混頻器、環(huán)形混頻器等；根據(jù)混頻器的增益特性，可分為有源混頻器和無(wú)源混頻器。衡量混頻器工作性能的主要指標(biāo)有變頻增益/損耗、工作頻率、隔離度等。典型的混頻器電路主要完成3個(gè)功能：乘法、放大/衰減、濾波。一個(gè)理想的混頻器的輸出由輸入信號(hào)與本振信號(hào)的和頻與差頻組成。實(shí)際混頻器的工作，通常是以二極管或晶體管提供的非線(xiàn)性為基礎(chǔ)，因此，其輸出會(huì)產(chǎn)生較多的頻率分量[11]。重頻超寬帶脈沖信號(hào)包含豐富的頻譜分量，當(dāng)作為干擾信號(hào)注入混頻器時(shí)可能會(huì)對(duì)混頻器的正常工作產(chǎn)生影響。

2 仿真分析

針對(duì)某型通信設(shè)備接收機(jī)射頻前端所采用的無(wú)源混頻器開(kāi)展了仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究。利用電路仿真軟件自帶的混頻器模型，建立如圖1所示干擾仿真模型，其中PULSE源用于模擬重頻超寬帶脈沖信號(hào)，而RF源用于模擬正常的通信信號(hào)，LO源為混頻器的本振信號(hào)源。為模擬某型通信設(shè)備接收機(jī)射頻前端混頻器的變頻過(guò)程，所建立的仿真模型中的RF源、LO源、混頻器作如下設(shè)定：RF源頻率范圍為40～88 MHz，LO源頻率范圍為164～212 MHz，混頻器下變頻工作，輸出124 MHz中頻信號(hào)，且有6.2 dB左右變頻損耗。

圖1 重頻超寬帶脈沖干擾混頻器模型

所采用的電路仿真軟件自帶的混頻器模型是一種理想模型，其輸出主要由RF源輸出信號(hào)和LO源輸出信號(hào)的和頻與差頻組成。當(dāng)只有頻率為60 MHz正常通信信號(hào)注入混頻器時(shí)，此時(shí)LO源信號(hào)頻率為184 MHz，混頻器輸出信號(hào)頻譜如圖2所示。此種情況下混頻器輸出同功率的差頻信號(hào)(124 MHz)與和頻信號(hào) (244 MHz)。

圖2 通信信號(hào)注入時(shí)混頻器輸出信號(hào)頻譜

2.1 混頻器對(duì)超寬帶脈沖信號(hào)的響應(yīng)

利用仿真軟件形成如圖3(a)所示的類(lèi)高斯型超寬帶脈沖信號(hào)。當(dāng)此種類(lèi)型的單脈沖超寬帶信號(hào)注入混頻器時(shí)，混頻器輸出信號(hào)波形如圖3(b)所示。由圖3(b)可知，單脈沖超寬帶信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器后幅值變小，波形略有畸變，脈沖寬度略微變小。

圖3 單脈沖超寬帶信號(hào)注入混頻器

圖4 重頻超寬帶信號(hào)注入時(shí)混頻器輸出波形

利用仿真軟件產(chǎn)生不同重頻的超寬帶脈沖信號(hào)，并將不同重頻的超寬帶脈沖信號(hào)注入混頻器，觀察混頻器輸出。圖4給出了0.5 MHz、5 MHz、10 MHz重頻條件下超寬帶脈沖注入時(shí)混頻器的輸出波形。通過(guò)對(duì)圖4的波形形式分析，可知，當(dāng)重頻超寬帶脈沖信號(hào)注入混頻器時(shí)，混頻器輸出波形可認(rèn)為是以重頻超寬帶脈沖信號(hào)序列為抽樣函數(shù)對(duì)本振信號(hào)進(jìn)行時(shí)域采樣，其波形包絡(luò)形式因重頻的不同而不同。

2.2 重頻超寬帶脈沖信號(hào)干擾混頻器仿真

重頻超寬帶脈沖信號(hào)作為干擾信號(hào)與正常通信信號(hào)一起注入混頻器，觀察混頻器輸出。此時(shí)RF源頻率為60 MHz，LO源頻率為184 MHz。圖5給出了5 MHz重頻條件下超寬帶脈沖信號(hào)與正常的通信信號(hào)一起注入混頻器時(shí)混頻器輸出波形與頻譜。由圖5可知，重頻超寬帶脈沖作為干擾信號(hào)同射頻通信信號(hào)一起注入混頻器時(shí)，并不能干擾混頻器的正常輸出，混頻器可實(shí)現(xiàn)其變頻功能，輸出的波形頻譜中包含正常的差頻(124 MHz)和和頻信號(hào)(244 MHz)。

圖5 重頻超寬帶脈沖信號(hào)與通信信號(hào)同時(shí)注入混頻器

變頻損耗為衡量混頻器工作性能的重要指標(biāo)，其表征混頻器輸出端幅度特征與輸入端的關(guān)系，因此，為分析重頻超寬帶脈沖信號(hào)對(duì)混頻器工作性能的影響，仿真給出了變頻損耗與重頻超寬帶脈沖信號(hào)參數(shù)的變化關(guān)系，即在正常通信信號(hào)參數(shù)不變(頻率、幅值等)的情況下，變頻損耗隨超寬帶脈沖信號(hào)的幅值、重頻、脈寬的變化關(guān)系。調(diào)節(jié)PULSE源參數(shù)設(shè)置，仿真給出了混頻器變頻損耗跟超寬帶脈沖信號(hào)的幅值、重頻及脈寬的變化關(guān)系曲線(xiàn)，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)重頻超寬帶脈沖信號(hào)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，混頻器變頻損耗在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化(約0.2 dB)，綜合考慮仿真過(guò)程中的計(jì)算誤差和讀數(shù)誤差，可認(rèn)為混頻器的變頻損耗受重頻超寬帶脈沖信號(hào)的影響較小。

圖6 變頻損耗隨超寬帶脈沖信號(hào)參數(shù)變化仿真曲線(xiàn)

通過(guò)以上的仿真分析可得到初步結(jié)論，重頻超寬帶脈沖并不能對(duì)混頻器的正常工作產(chǎn)生較大影響，重頻超寬帶脈沖作為干擾信號(hào)隨正常通信信號(hào)一同注入混頻器時(shí)，混頻器性能并不受影響，仍能輸出正常的信號(hào)，但由于重頻超寬帶脈沖通過(guò)混頻器后仍然包含豐富的頻譜分量，其中即包含混頻器正常輸出的頻率成分，則重頻超寬帶脈沖信號(hào)仍有可能影響混頻器后端電路的工作。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證仿真分析結(jié)果，建立圖7所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。采用安捷倫公司的脈沖源81130A來(lái)產(chǎn)生重頻超寬帶脈沖信號(hào)，兩臺(tái)安捷倫公司的信號(hào)源8257D來(lái)產(chǎn)生射頻通信信號(hào)與本振信號(hào)。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)所用混頻器為某型通信設(shè)備接收機(jī)所采用的ADE-1MH型混頻器，此型號(hào)混頻器為無(wú)源混頻器，工作帶寬為DC-500 MHz，實(shí)驗(yàn)標(biāo)定了其下變頻輸出124 MHz中頻信號(hào)時(shí)的變頻損耗，如表1所示。由表1可知，ADE-1MH型混頻器的變頻損耗受本振信號(hào)的功率影響較大。在輸入正常通信信號(hào)頻率和功率不變的情況下，本振信號(hào)功率越小，變頻損耗越大。

表1 ADE-1MH型混頻器變頻損耗測(cè)試

在以下的實(shí)驗(yàn)研究中，固定兩臺(tái)信號(hào)源8257D的設(shè)置，設(shè)置如下：產(chǎn)生射頻通信信號(hào)的信號(hào)源頻率設(shè)置為60 MHz，輸出功率設(shè)置為-7 dBm，經(jīng)功分器與重頻超寬帶脈沖信號(hào)合路后，其功率應(yīng)為-10 dBm；產(chǎn)生本振信號(hào)的信號(hào)源頻率設(shè)置為184 MHz，輸出功率為13 dBm。此種條件下，對(duì)應(yīng)的混頻器變頻損耗約為6.2 dB。

3.1 混頻器對(duì)超寬帶脈沖信號(hào)的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了只有超寬帶脈沖信號(hào)注入混頻器時(shí)混頻器輸出波形。對(duì)于單脈沖超寬帶脈沖信號(hào)，混頻器輸出波形較原始波形稍有畸變，幅值變小。對(duì)于重頻超寬帶脈沖信號(hào)，對(duì)比圖8與圖3，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的波形形式基本與仿真分析得到波形一致。

圖8 單脈沖超寬帶信號(hào)注入后混頻器輸出實(shí)測(cè)波形

圖9給出了不同重頻條件下超寬帶脈沖信號(hào)注入后混頻器輸出實(shí)測(cè)波形。對(duì)比圖9和圖4可知，仿真得到的波形與實(shí)測(cè)波形基本一致。

圖9 不同重頻超寬帶脈沖信號(hào)注入后混頻器輸出實(shí)測(cè)波形

3.2 重頻超寬帶脈沖信號(hào)對(duì)混頻器的干擾實(shí)驗(yàn)

重頻超寬帶脈沖信號(hào)作為干擾信號(hào)與正常通信信號(hào)一起注入混頻器，圖10給出了重頻為5 MHz的超寬帶脈沖信號(hào)與正常通信信號(hào)一起注入混頻器后波形和頻譜，此時(shí)RF源頻率為60 MHz，LO源頻率為184 MHz。

比較圖5與圖10，實(shí)驗(yàn)測(cè)量波形與仿真得到波形基本一致。由于實(shí)驗(yàn)所用混頻器的非線(xiàn)性，其輸出波形頻譜中除了差頻信號(hào)和和頻信號(hào)外，還包含了一些幅度較高的諧波分量，而仿真所用的混頻器為理想模型，混頻器的非線(xiàn)性特征沒(méi)有得到表征。

圖10 重頻超寬帶脈沖信號(hào)與通信信號(hào)同時(shí)注入混頻器實(shí)測(cè)波形

實(shí)驗(yàn)測(cè)量給出了混頻器變頻損耗隨超寬帶脈沖信號(hào)參數(shù)變化曲線(xiàn)。由圖11可知，隨著重頻超寬帶脈沖信號(hào)的注入，混頻器變頻損耗略有改變，其變化范圍小于1 dB。因超寬帶脈沖信號(hào)注入后混頻器輸出波形為包絡(luò)形式，考慮此種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较麓嬖诘淖x數(shù)誤差，可認(rèn)為變頻損耗受重頻超寬帶脈沖信號(hào)影響較小。

圖11 變頻損耗隨超寬帶脈沖信號(hào)參數(shù)變化實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

4 擴(kuò)展性分析

由仿真分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，重頻超寬帶脈沖信號(hào)并不影響單一混頻器的正常工作，其作為干擾信號(hào)可正常通過(guò)混頻器，且通過(guò)混頻器后仍包含豐富的頻率成分。

另外，混頻器一般同濾波器一起組成混頻濾波電路，并且當(dāng)前的通信設(shè)備接收機(jī)多采用超外差結(jié)構(gòu)，一般包含多級(jí)混頻濾波電路來(lái)降低混頻濾波后的中頻信號(hào)頻率以方便后續(xù)電路的處理。綜合考慮多級(jí)混頻濾波電路，針對(duì)某型通信設(shè)備的接收機(jī)射頻前端兩級(jí)混頻濾波電路進(jìn)行了重頻超寬帶脈沖響應(yīng)初步實(shí)驗(yàn)研究，混頻濾波電路結(jié)構(gòu)形式如圖12所示。

圖12 混頻濾波電路結(jié)構(gòu)示意圖

在圖12所示的電路結(jié)構(gòu)中，40～88 MHz頻率范圍內(nèi)的通信信號(hào)經(jīng)一級(jí)混頻濾波電路后變?yōu)?24 MHz的中頻信號(hào)，其經(jīng)過(guò)二級(jí)混頻濾波電路后變?yōu)轭l率為384 kHz的中頻信號(hào)。將不同參數(shù)條件下的重頻超寬帶脈沖信號(hào)注入混頻濾波電路，觀察混頻濾波電路的輸出。

圖13 混頻濾波電路輸出波形與頻譜

文獻(xiàn)[8]指出重頻超寬帶脈沖的頻譜呈離散譜線(xiàn)分布，譜線(xiàn)間隔為重復(fù)頻率，且脈沖的功率主要集中在重頻整數(shù)倍處的離散譜線(xiàn)上。因此，混頻濾波電路對(duì)重頻超寬帶脈沖的響應(yīng)依賴(lài)于圖12所示的40～88 MHz帶通濾波器。若超寬帶脈沖的主頻能夠覆蓋這一頻帶(40～88 MHz)，且重頻整數(shù)倍處的離散譜線(xiàn)能夠落入這一頻帶，則混頻濾波電路可輸出頻率為384 kHz的信號(hào)。圖13與表2給出了圖12所示的兩級(jí)混頻濾波電路對(duì)重頻超寬帶脈沖的響應(yīng)特性。在一定的參數(shù)條件下，重頻超寬帶脈沖經(jīng)過(guò)混頻濾波電路后可變?yōu)檫B續(xù)波信號(hào)，頻率同通信信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻濾波電路后輸出的中頻信號(hào)頻率相同。因此，重頻超寬帶脈沖對(duì)混頻濾波電路的干擾以及之后電路的干擾類(lèi)似定頻連續(xù)波信號(hào)干擾。

表2 兩級(jí)混頻濾波電路響應(yīng)特性

5 結(jié)論

通過(guò)仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究，針對(duì)超寬帶脈沖信號(hào)干擾混頻器，可得如下結(jié)論：

1)對(duì)于單脈沖超寬帶信號(hào)，混頻器輸出同波形形式的信號(hào)，幅值減小，波形會(huì)產(chǎn)生一定程度的畸變。對(duì)重頻超寬帶脈沖信號(hào)，混頻器輸出波形可認(rèn)為以重頻超寬帶脈沖信號(hào)序列為抽樣函數(shù)對(duì)本振信號(hào)進(jìn)行時(shí)域采樣，其波形包絡(luò)形式因重頻的不同而不同。

2)作為干擾信號(hào)，重頻超寬帶脈沖信號(hào)并不能影響混頻器正常工作。當(dāng)重頻超寬帶脈沖信號(hào)與射頻通信信號(hào)一起注入混頻器時(shí)，混頻器可實(shí)現(xiàn)其正常變頻功能，其輸出中頻信號(hào)雖有所變化，但因其變化范圍不大，作為衡量混頻器工作性能的重要指標(biāo)-變頻損耗認(rèn)為基本不變。

3)重頻超寬帶脈沖經(jīng)過(guò)混頻濾波電路后變?yōu)橥蓄l信號(hào)同頻的連續(xù)波信號(hào)，對(duì)混頻濾波電路的干擾以及之后電路的干擾類(lèi)似定頻連續(xù)波信號(hào)干擾。