易 磊 嚴(yán)宜強(qiáng)

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引言

音頻信號(hào)主要分布在20Hz～20kHz頻率段，電視視頻變成無線電信號(hào)占用不到2MHz頻率，雷達(dá)目標(biāo)特征只需幾十兆赫茲頻率即可描述。無線傳輸音頻、視頻信號(hào)則需幾兆、幾十兆赫茲的信號(hào)作為載波，而制導(dǎo)雷達(dá)一般選擇500MHz以上的頻率工作，部分毫米波雷達(dá)的工作頻率可以達(dá)到40GHz甚至更高[1]，要得到載波中有用的信息，通常采用下變頻的方式將載波頻率搬移到中頻，然后對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行處理，獲取目標(biāo)信息。

雷達(dá)目標(biāo)模擬器的主要功能是為雷達(dá)導(dǎo)引頭提供目標(biāo)回波源，用以在半實(shí)物仿真中驗(yàn)證雷達(dá)型制導(dǎo)武器系統(tǒng)的性能。目標(biāo)模擬器系統(tǒng)前端射頻部分的主要功能是接收偵查射頻信號(hào)，然后進(jìn)行下變頻，變至中頻信號(hào)以便進(jìn)行高速采樣與后續(xù)處理，一般通過下變頻鏈路來實(shí)現(xiàn)[2-3]。

下變頻鏈路信號(hào)的質(zhì)量直接關(guān)系著目標(biāo)模擬器輸出回波信號(hào)的質(zhì)量，需要綜合考慮下變頻過程中對(duì)射頻信號(hào)的頻率、雜散、相噪等參數(shù)的影響。本文介紹了一種微波下變頻鏈路的實(shí)現(xiàn)方法，較好地解決了微波信號(hào)下變頻過程中雜散與相噪控制的難題，為后續(xù)信號(hào)處理提供了雜散較低、相噪較好的中頻信號(hào)，且系統(tǒng)自身具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍和較高的瞬時(shí)帶寬。

1 設(shè)計(jì)思想

1.1 概述

微波下變頻鏈路的原理圖如圖1所示，接收到的(2～18)GHz射頻信號(hào)，經(jīng)過開關(guān)選擇、衰減、低噪聲放大(LNA)等處理，進(jìn)入混頻器中進(jìn)行三級(jí)混頻后變成(0.1～1.1)GHz的中頻信號(hào)，提供給后續(xù)單元進(jìn)行信號(hào)采集與處理。輸入信號(hào)為一路射頻信號(hào)(需要變頻的信號(hào))，三路本振信號(hào)(其中的第一路本振信號(hào)為捷變頻本振，另外2路本振為固定26GHz、3.6GHz本振信號(hào))。

下變頻輸入信號(hào)功率范圍為(-50～10)dBm，下變頻鏈路包含有64dB動(dòng)態(tài)范圍的射頻數(shù)控衰減器和25dB增益的前置放大器。單級(jí)程控衰減器具備11bit控制分辨率，程控步進(jìn)0.03dB，通過標(biāo)定很容易實(shí)現(xiàn)0.5dB的衰減精度，前端整體可以滿足60dB左右的輸入動(dòng)態(tài)要求。下變頻的中頻帶通濾波器帶寬為1GHz，捷變頻頻綜頻率步進(jìn)10MHz，整個(gè)系統(tǒng)能夠達(dá)到1GHz瞬時(shí)帶寬的設(shè)計(jì)要求。

1.2 測(cè)頻技術(shù)

測(cè)頻模塊對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量，用以確定捷變頻模塊的輸出頻率。測(cè)頻模塊需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理才能完成測(cè)頻，其主要由前端射頻和后端數(shù)字處理兩部分組成：前端射頻部分完成信號(hào)的功分、放大、延遲和模擬鑒相；后端數(shù)字處理部分主要完成測(cè)頻值解模糊查表。

前端射頻模塊原理如圖2所示，前端射頻模塊將(2～18)GHz的射頻信號(hào)放大后，功分為8路射頻信號(hào)，4路為IQ混頻器的LO端信號(hào)，另4路為IQ混頻器的RF端信號(hào)，分別經(jīng)過4個(gè)IQ混頻器正交解調(diào)，輸出8路IQ視頻信號(hào)。

數(shù)字處理部分如圖3所示，AD采樣后分別對(duì)3個(gè)通道進(jìn)行鑒相、溫度校正、1:4:16:64校碼及拼接后，產(chǎn)生12位頻率碼和相關(guān)狀態(tài)碼，再根據(jù)固定公式計(jì)算得到頻率值，根據(jù)這個(gè)頻率值對(duì)捷變頻模塊輸出頻率進(jìn)行控制。

1.3 多級(jí)混頻技術(shù)

變頻模塊是整個(gè)微波鏈路的核心模塊，變頻方案的選擇，一般有單次變頻和多級(jí)變頻兩種。單次變頻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但抑制鏡像頻率的能力較差，多級(jí)變頻具有接收靈敏度高、選頻特性好、抑制鏡像頻率能力強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)于寬帶射頻輸入信號(hào)而言，選擇多級(jí)變頻的方式更加適合[4]。下變頻的具體實(shí)現(xiàn)方法如圖1所示，通過三級(jí)變頻來實(shí)現(xiàn)從(2～18)GHz射頻信號(hào)至(0.1～1.1)GHz中頻信號(hào)的頻率搬移，首先輸入的(2～18)GHz信號(hào)和(25～41)GHz的本振進(jìn)行混頻，變頻至(23±0.5)GHz，此時(shí)微波鏈路的信息就已經(jīng)包含在這個(gè)點(diǎn)頻上，該中頻信號(hào)與26GHz本振再次混頻至(3±0.5)GHz，輸出的中頻信號(hào)再次與3.6GHz的本振混頻，最終得到(0.1～1.1)GHz的中頻信號(hào)。下變頻頻率對(duì)照表如表1所示。

表1 下變頻頻率對(duì)照表 (單位：GHz)

1.4 參考源模塊

當(dāng)兩個(gè)信號(hào)混頻，如果一個(gè)信號(hào)相對(duì)另一個(gè)信號(hào)相噪指標(biāo)高出10dB以上時(shí)，輸出信號(hào)的相噪取決于其中相噪指標(biāo)較差的那個(gè)信號(hào)。下變頻過程中經(jīng)過了多次混頻，本振信號(hào)的相噪直接決定了輸出信號(hào)的相噪，而本振信號(hào)的相噪是由參考源模塊的性能決定的。

參考源模塊原理圖如圖4所示，參考源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘基礎(chǔ)，獨(dú)立工作時(shí)鎖定到頻綜內(nèi)部100MHz晶振，以保證頻綜的相參性，也可以鎖相至外部參考信號(hào)，能夠使得校準(zhǔn)系統(tǒng)與被校模擬源相參。參考源模塊為(2～18)GHz變頻系統(tǒng)提供需要的點(diǎn)頻本振；還需要為數(shù)字板卡提供2.4GHz采樣時(shí)鐘；此外還需要配備1路低相噪100MHz輸出同步信號(hào)，此信號(hào)用于多個(gè)微波頻率源之間進(jìn)行同步使用。

對(duì)于3.6GHz點(diǎn)頻源，其輸出信號(hào)相噪優(yōu)于-105dBc/Hz@1kHz；對(duì)于26GHz點(diǎn)頻源，其輸出信號(hào)相噪優(yōu)于-100dBc/Hz@1kHz；對(duì)于捷變頻頻綜，由于被校準(zhǔn)系統(tǒng)的輸出信號(hào)會(huì)隨時(shí)跳變，所以采用基于DDS和PLL相結(jié)合的混合式頻率合成方案，兼顧快速的頻率切換時(shí)間和系統(tǒng)的低相噪要求[5-6]，捷變頻頻綜內(nèi)部的100MHz恒溫晶振同步信號(hào)，其相噪指標(biāo)可達(dá)-155dBc/Hz@1kHz，通過選取低噪聲分頻器與鑒相器，并優(yōu)化鎖相環(huán)路設(shè)計(jì)，使得捷變頻頻綜最終輸出信號(hào)的相噪指標(biāo)優(yōu)于-95dBc/Hz@1kHz，從而確保了整個(gè)下變頻鏈路的相噪滿足指標(biāo)要求。

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

這里給出了某雷達(dá)目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)系統(tǒng)中下變頻模塊，實(shí)測(cè)所能夠達(dá)到技術(shù)指標(biāo)如下：

1)射頻頻率范圍：(2～18)GHz；

2)中頻頻率范圍：(0.1～1.1)GHz；

3)瞬時(shí)信號(hào)帶寬：1GHz；

4)頻綜跳頻速度：≤120ns；

5)頻綜步進(jìn)：10MHz；

6)射頻接收功率：(-50～10)dBm；

7)下變頻輸出信號(hào)雜散：≤-60dBc；

8)下變頻輸出信號(hào)相噪：-90dBc@1kHz，-95dBc@10kHz。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了在綜合考慮微波下變頻鏈路技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種微波下變頻鏈路。在由射頻信號(hào)向中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換的過程中，滿足了輸入信號(hào)大動(dòng)態(tài)范圍和高處理帶寬的要求，實(shí)現(xiàn)了低相噪、低雜散中頻信號(hào)的輸出。