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一种宽频带超短波校正源的分析与设计

作者:姜 杨,鞠丽娟(同方电子科技有限公司,江西 九江 332002;九江职业技术学院 信息工程学院,江西 九江 332007)时间:2021-02-25来源:电子产品世界收藏
编者按:本文针对宽频带超短波校正源的性能要求,将器件实测数据与电路仿真相结合作为电路模型,仿真计算了电路性能,使用匹配电路改善了电路的带内波动,成功设计了一宽带超短波校正源。实际测试的结果表明,该宽频带超短波校正源具有较小的带内波动,单根谱线具有良好的相位噪声,其能够满足指标要求,成功应用于工程项目中。


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202102/422967.htm

0    引言

多通道干涉仪测向体制的测向精度与多通道接收机的输出信号间的相位差有关[1-3],其对测向接收机的各通道幅度一致性、相位一致性有严格的要求,因此测向系统需要通过校正信号源校正相位失配。而在30MHz~3000MHz频段的电路中,多个射频滤波器的级联引来电路的幅度波动,其成为设计时不能忽视的因素。然而目前尚无有完整的文献报道有关的预测方法,基于此,本文提出并建立了一种仿真电路模型,该模型根据组件特点分别建立相应的组件模型,着重分析了校正源的电路阻抗、输出幅频特性等性能,对于校正源的设计具有一定的指导意义。

1   宽频带超短波校正源电路模型

宽频带超短波校正源的电路模型由激励源、20 MHz带宽的带通滤波器、衰减器、射频放大器、第一混频器、一中放大器、一中滤波器、第二混频器、二中放大器、二中滤波器等组成,如图1所示。校正源的工作原理为,源作为校正源的激励输入,其载波中心频率为100 MHz,该信号先通过一个中心频率为100 MHz、带宽为20 MHz的LC滤波器进行滤波整形,得到带宽为20 MHz的梳状谱激励信号。整形后的梳状谱信号依次经过IF2放大器、IF2滤波器,由IF2混频器上频变至第二中频5.6 GHz,为弥补混频器带来的变频损耗,此时信号需要由IF1放大器放大幅度,进入IF1滤波器滤除带外谐波;最后由IF1混频器变频至(30 ~ 3 000) MHz射频输出,并由(30 ~ 3 000) MHz的宽带放大器放大输出幅度满足指标要求,该梳状谱送入测向天线进行幅度相位校正。

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1 校正源电路模型

2   宽频带超短波校正源仿真

2.1 组件模型

根据上述校正源电路模型采用ADS仿真软件进行电路仿真,为了提高电路仿真的准确度,需要首先建立电路中各个组件的仿真模型。根据组件的种类不同,建立组件仿真模型方法主要分类两大类:无源S参数模型和有源PA模型。其中,电路中的各级滤波器主要采用无源S参数模型法,该方法采用网络分析仪测试滤波器的S参数,将该S参数建立相应滤波器的仿真模型;而电路中的各级放大器则采用有源PA模型法,结合放大器P-1这个重要参数研究所选放大器是否能实现对梳状谱的放大器。

对于梳状谱源,可采用阶跃二极管来产生[4-5],文中采用开关调制的方法。由方波的傅里叶级数描述可知,其由无数奇次谐波分量组成,见式(1),故可使用频率为100 kHz的方波对100 MHz信号进行开关调制产生梳状谱源,谱线间隔为200 kHz,其在20 MHz范围内共有100根谱线,

image.png(1)

2.2 校正源电路仿真

对梳状谱源仿真,得到幅频特性如图2所示,图2中单根谱线的输出不小于-53 dBm,单根谱线的最大输出为-46 dBm,后续电路需要对该梳状谱进行幅度放大。

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图2 激励源幅频特性

得到梳状谱波形后,该梳状谱先通过切比雪夫响应的LC集中滤波器,进行滤波整形,再由增益为15 dB,P-1为18 dBm的射频放大器对梳妆谱幅度放大,仿真得到的梳状谱幅频特性如图3所示,从图3可知,单根梳状谱线分别获得15 dB的增益,仿真表明该放大器并未因100根梳状谱线的功率输出而出现饱和。

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图3 经滤波放大后的梳状谱

第一次混频,变频损耗为-8 dB,输出的一中频率为5.6 GHz,相应幅度仿真计算得到为-40 dBm,与预期计算相吻合,如图4所示。图4表明当该梳状谱通过介质滤波器的物理模型后,梳状谱带内呈现较大幅度的波动,这是原理论计算所没有预测到的,也表明了对校正源电路仿真的必要性。为此,需要修改校正源电路仿真模型,通过加入阻抗匹配来改善

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图4 一中频的幅频特性

对于梳状谱信号,因其对电路的驻波比较为敏感,文中电路中引入5 dB的T型衰减网络以改善特性。T型衰减网络的计算公式如下:

image.png(2)

image.png(3)

其中,N=U1/U2,U1、U2分别为T型衰减网络两侧的电压,Zc为特征阻抗。

从式(2)、(3)计算可知,R1、R2分别为15Ω和82Ω,在滤波器IF1前端加入调理电路。图1所示的电路仿真模型更新为图5所示。

image.png

图5 校正源仿真电路

经调理该梳妆谱信号进入一中频混频器,有5.6 GHz的梳状谱搬移至(30 ~ 3 000) MHz频段内放大输出。

3   宽带超短波校正源测试

按照上述仿真电路确定的电路参数,实际设计、加工了一种宽带超短波梳状谱源,并实际测试了校正源的电路指标,结果如图6、图7所示。

从图6可知,中心频率为150 MHz的梳状谱工作带宽不小于20 MHz,小于3 dB,具有较好地幅度一致性。

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图6 梳状谱实测

从图7可知,该校正源的单根谱线153 MHz的在频偏10 kHz处的为-103 dBc/Hz,相噪指标良好。

该校正源的带内波动较为平坦,且在工作频段内具有良好的,能够保证超短波测向接收设备在整个工作带宽内稳定可靠的工作。

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图7 实测

4   结论

校正源的设计中,采用仿真驱动设计思路,整个工程实践划分为电路仿真阶段、电路实现阶段和校正源调试阶段等三个阶段。该思路采用实测的元器件参数作为组件模型,从而建立校正源仿真电路模型,在仿真阶段验证了电路电路的可行性及其性能指标,提前释放了设计风险,顺利推进电路实现阶段和校正源调试阶段。采用该方法设计的校正源已应用在多个工程中。

参考文献:

[1] 罗贤欣, 刘光斌, 王忠. 干涉仪测向技术研究[J].舰船电子工程,2012,32(8):74-76.

[2] 王克让, 李娟慧, 朱晓丹, 等. 提高相位干涉仪测角精度新方法[J].航天电子对抗,2017,33(4):7-10.

[3] 王鼎, 李长胜, 吴瑛. 均匀圆阵互耦和幅相差有源校正分离迭代算法[J]. 探测与控制学报, 2009,31(1):64-69.

[4] 聂杨, 喻志远. 基于阶跃二极管的平面结构梳状谱发生器设计[J].电子测量技术,2009,32(12):7-8.

[5] 饶睿楠, 李辉, 王栋. 0.1~5GHz 梳状谱发生器的设计与实现[J].火控雷达技术,2011, 40(1):76-77.

作者简介:姜杨(1986—),男,工程师,硕士,研究方向为无线通信系统、电子对抗系统。

(本文来源于《电子产品世界》2020年12月期)



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