應用于聲納信標的鏡像抑制混頻器設計*

李 程

(中國船舶重工集團公司第七一五研究所 杭州 310023)

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應用于聲納信標的鏡像抑制混頻器設計*

李 程

(中國船舶重工集團公司第七一五研究所 杭州 310023)

論文提出了一種改進的鏡像抑制混頻器設計方案,實驗結果表明該結構的混頻器具有良好的鏡像抑制性能,鏡像抑制比大于40dB,且對正交信號幅相失配不敏感,能較好的滿足所需指標要求。

聲納信標; 鏡像抑制; 混頻器

Class Number TN929.3

1 引言

當船只或飛機失事沉入海底時,為了快速對其進行定位,船只或飛機上都安裝有聲納信標。入水后,聲納信標便自動激活,開始向水中周期性地發射特定信號形成的聲信號,供搜尋設備接收聲信號從而對其進行聲學定位[1]。

搜尋設備接收到的水聲信號頻率較高,通常需要將信號放大、濾波并混頻至可聽范圍[2],通過耳機中的信號有無和強弱來判斷聲納信標的方位。

2 工作原理

混頻器不僅需要有頻率變換作用,還應具有鏡像信號抑制等功能。鏡像抑制技術是現代戰爭中電子對抗技術的一種。為了有效進行反干擾,在大型電子設備中幾乎都采用了鏡像抑制技術。此種技術應用在混頻器設計上,使有用的信號能更充分地被利用,最大限度地抑制了鏡像干擾信號。

普遍采用的混頻器結構主要有Hartley結構和Weaver結構[3]。Hartley結構如圖1所示,是Hartley于1928年提出的一種鏡像抑制結構,它源于單邊帶(SSB)調制器。利用射頻信號和鏡像信號混頻后得到的中頻信號相位相差90°的現象,把輸入信號分成兩路進行處理,使得在兩路輸出信號中所希望得到的中頻信號為同相位,而由鏡象信號產生的中頻信號相位相差180°,再把兩路信號相加,使得鏡像信號抵消。

圖1 Hartley鏡像抑制結構

若只考慮基波混頻,而混頻器的輸入信號分別為:射頻信號fS=VScosωSt,本振信號fL=VLcosωLt,鏡頻信號fJ=VJcosωJt,并假設fS>fL>fJ,混頻過程中產生的和頻信號被完全濾除。當射頻信號和鏡頻信號同時輸入混頻器時,根據三角公式,90°本振混頻通路經濾波移相后的混頻產物為

(1)

0°本振混頻通路經濾波后的混頻產物為

(2)

經過加法器電路,混頻器最后的輸出信號為

VIF=VSVLcos(ωS-ωL)t

(3)

通過以上的推導,發現此結構的混頻電路可以抑制鏡頻信號產生的同頻假中頻信號:VLVJcos(ωL-ωJ)t,而對于fS

Hartley結構的主要缺點是對相位和增益失配很敏感[4]。當存在相位和增益失配時,在相加后只能部分的抵消鏡像信號,從而降低了鏡像抑制。另外,90°移相網絡引起的增益損失和噪聲以及相加電路的線性度也是很重要的性能參數。90°移相網絡由于電阻與電容的不匹配,還會引入附加的增益與相位失配,從而降低鏡像抑制。

3 電路實現

圖2為改進的鏡像抑制混頻器結構。

圖2 改進的鏡像抑制混頻器

可以證明,在電路內部只要滿足90°的相位差,即φ1-φ2=90°,這種混頻電路同樣可以抑制鏡頻干擾。并且電路結構采用對稱設計,更容易獲得理想的幅相平衡,鏡頻抑制的效果會比較理想,同時對溫漂也會有很好的抑制。

本項目設計的混頻器的輸入信號為40KHz的音頻脈沖信號,脈沖寬度10ms,周期1s,將其通過混頻器下變頻到7KHz,要求具有40dB的鏡頻抑制比。

3.1 混頻電路

本項目使用雙平衡混頻器(DBM)電路[5～7]。DBM電路是對兩個輸入信號進行乘法運算的常用電路。有利用二極管的DBM電路與利用晶體管的DBM電路,在這里使用電路簡單由二極管構成的DBM電路。采用稱之為肖特基勢壘二極管四合一元件的ND487C1-3R(NEC)構成,這是由特性一致的四個二極管在內部連接而成的DBM專用零件。輸入功率以3dBm(約2mW)～12dBm(約16mW)為好,此時的變換損失為5.5dB,電路整體的變換損失合計應為8.5dB。

3.2 移相電路

由一階RC網絡實現的移相電路原理圖如圖3所示。取φ1=135°,φ2=45°,電阻R=1kΩ,計算可得135°和45°移相電路對應的電容C取值分別為1582PF和9200PF。

圖3 移相電路

3.3 濾波器

所需設計的低通濾波電路指標為:截止頻率fC=7kHz,增益10dB,四階巴特沃斯型低通濾波電路[8～9],如圖4所示。

圖4 四階巴特沃斯型低通濾波電路

圖5 加法電路

3.4 加法電路

4 實驗結果

對該混頻電路進行仿真實驗[10～11],工作電壓為5V,本振信號頻率為33KHz,射頻信號頻率為40KHz,鏡像信號頻率為26KHz,其中射頻信號和鏡像信號的功率均為3dBm。圖6為示波器測得的輸入信號波形。圖7為示波器測得的輸出信號波形。可以看出混頻后的輸出信號頻率已降到7KHz。頻譜儀測量可得中頻信號的功率為2.43dBm,而假中頻信號的功率為-41.34dBm,則可以得出鏡像抑制比約為43.7dB。因此本文所設計的鏡像抑制混頻器滿足鏡像抑制比優于40dB的設計指標。

圖6 射頻信號波形

圖7 中頻信號波形

5 結語

本文基于Hartley混頻器結構進而提出了一種改進的鏡像抑制解決方案,電路結構簡單,體積較小,混頻效率高。實驗結果表明所提出的鏡像抑制解決方案的鏡像抑制比達到了40dB以上,該方案能夠有效實現鏡像抑制。在聲納信標、捷變頻雷達、遙測遙控、通信及測量等系統中具有較高的應用價值。

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Design of Image Rejection Mixer for Sonar Beacon

LI Cheng

(No. 715 Research Institute of CSIC, Hangzhou 310023)

This paper presents a design scheme of the improved image rejection mixer. The experimental results show that the mixer with the structure has good image rejection performance, its image rejection ratio is greater than 40dB and it is insensitive to the orthogonal signal amplitude and phase mismatch. The mixer can meet the required specifications better.

sonar beacon, image rejection, mixer

2014年11月13日,

2014年12月20日

李程,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:聲納低頻電路。

TN929.3

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.036