X波段高功率微波脈沖鑒相器設計與實現

王 益，郭曉東，張翠翠，王建忠，何 斌

（中國工程物理研究院計量測試中心，四川 綿陽 621900）

X波段高功率微波脈沖鑒相器設計與實現

王 益，郭曉東，張翠翠，王建忠，何 斌

（中國工程物理研究院計量測試中心，四川 綿陽 621900）

為滿足高功率微波技術對信號相位差測量的應用需求，設計一種微波脈沖鑒相器，實現X波段脈沖信號相位差的準確測量。鑒相器基于I/Q解調原理，采用無需外加電源供電的雙平衡電路結構，以微帶電路的形式設計同相功分器和分支線電橋，結合貼片式混頻器將兩路待測信號進行正交混頻，得到與待測相位差相關的電脈沖。電路設計中采用寬帶電路結構，擴展使用帶寬；結合全電磁仿真對各信號傳輸通路的相位一致性進行分析計算，避免電路出現初相誤差；采用低通濾波器濾除高次諧波干擾，提高鑒相準確度，最后制作實物樣機并進行性能測試。測試結果表明，該鑒相器能夠實現百納秒級微波脈沖信號的相位測量，動態范圍達到10dB，最大承受功率22dBm，測量誤差＜5°。

X波段；相位測量；鑒相器；脈沖

0 引 言

相位是高功率微波（HPM）中需要測量的基本參數之一，具有廣泛應用需求，比如在HPM功率合成系統中，相位測量的技術指標直接關系到最終合成效率[1-2]。目前國內實現HPM相位測量主要有示波器時域波形法[3]和微波鑒相器法[4]兩種，示波器法主要受限于其測量帶寬，要實現X波段HPM相位測量，現有大部分示波器的采樣率都難以滿足要求，且示波器不利于測量控制一體化、實時化趨勢，因此目前示波器法主要用于實驗室研究。為實現X波段HPM相位測量，采用微波鑒相器法是一種行之有效的技術途徑，相比示波器法具有體積小、易于集成、使用方便等優點，具有較高的實用性。

HPM相位測量與常規功率微波相位測量相比，需要面臨信號功率高、電磁環境復雜、待測信號為單次脈沖、脈沖寬度窄等技術難點[4-8]。采用微波鑒相器法進行HPM相位測量受到多方面的影響[9-12]。鑒相原理一般是通過將兩路HPM信號進行衰減后混頻，將兩路信號的相位差信息轉化為對應的幅度信息，通過檢測輸出信號幅度的大小，計算得到兩路輸入信號相位差，其中，鑒相器的性能指標直接關系到相位測量結果的準確性和可靠性，常見的鑒相器有單混頻式鑒相器、雙混頻I/Q法鑒相器和六端口復數比值計等[13-15]。

基于I/Q解調原理的雙混頻鑒相器具有輸入功率大、受功率不平衡影響小、無源（抗干擾能力強）等優點，結合兩路信號輸出電平的正負進行判斷，可將鑒相范圍提高到360°，比較適用于HPM相位測量。

1 測量方法及測量系統

1.1 測量原理及系統組成

雙平衡微波鑒相器電路原理框圖如圖1所示，主要由一個3 dB分支線耦合器（分支線電橋）、一個3dB同相功分器、雙平衡混頻器、低通濾波器以及微波傳輸線和輸入輸出轉換接頭組成。

圖1 雙平衡微波鑒相器電路原理圖

鑒相器實際上是利用I/Q解調原理來實現鑒相功能，輸入的微波信號ur經過分支線耦合器以接近90°的相位差分配給兩個混頻器，而輸入微波信號us經過同相功分器以接近0°的相位差分配給兩個混頻器，所以，進入混頻器的兩路信號相位差接近90°，分別經過兩路混頻器進行混頻，再經過低通濾波器濾除高頻分量，得到與微波信號相位差成正交調制關系的電脈沖信號，由兩路輸出電脈沖信號幅度與相位之間的關系，可得到最終的鑒相結果。

設兩路輸入信號分別為

其中A、B分別為兩路輸入微波信號幅度，φ為信號相位差，經過3dB分支線電橋后，ur被分成兩路信號ur1和ur2:

經過3dB功分器之后的信號us1和us2為

經過分配的兩路信號分別與兩路混頻器進行混頻，經過混頻后，濾除高階分量，上下兩路輸出V1和V2分別為

由式（4）可見，V1和V2與輸入信號相位差成正交調制關系，若輸入信號為微波脈沖信號，則V1和V2是與微波脈沖寬度相同的電脈沖信號，通過V1和V2兩路輸出可以得到兩路輸入信號的相位差：

可以看出，式（5）中相位差表達式與輸入微波信號幅度A、B無關，因此當輸入功率不平衡（A≠B）時，不會對鑒相結果造成影響，利用這一特點可以避免在HPM相位測試中常出現的功率不平衡現象對相位測試造成影響。

1.2 關鍵電路設計與仿真優化

HPM脈沖鑒相器的設計要求鑒相準確度高、抗干擾能力強、便于使用。按照前面所述的技術路線對鑒相器進行了具體設計，在對3dB分支線耦合器和3 dB同相功分器進行設計時，采用理論計算得到電路初始物理尺寸，然后結合仿真軟件進行性能優化，要求盡量保證兩路輸出信號的幅相一致性，同時盡量減小端口駐波并提高輸出端口之間的隔離，以減小電路元件性能不理想以及端口不匹配引入的系統誤差。

1.2.1 分支線耦合器設計和仿真

分支線耦合器的帶寬受1/4波長線的限制，其相對帶寬一般只能達到10%～20%。若要擴寬使用頻帶，可采用多節分支線結構，但是由于多節結構中高阻線線寬太窄，難以加工，因此一般不會超過3節。

采用兩節結構對分支線耦合器進行了設計，采用奇偶模法可得到其各節阻值與線寬，電路板采用低損耗的Rogers5880板材。通過仿真得到其散射參數如圖2所示，從仿真結果可以看出兩路等分端傳輸參數在中心頻率附近400MHz帶寬范圍內幅度一致性優于0.2dB，端口反射系數及隔離度大于-22dB，滿足設計要求。

圖2 3dB分支線耦合器結構及仿真結果

1.2.2 3dB同相功分器設計和仿真

3dB同相功分器采用經典的威爾金森功分器實現，為提高隔離度與帶寬同樣采用了兩節結構進行設計，電路板同樣采用低損耗的Rogers5880板材，仿真結果如圖3所示，在中心頻率附近400 MHz帶寬范圍內幅度一致性優于0.1dB，端口反射及隔離小于-25dB。

圖3 3dB同相功分器結構及仿真結果

1.2.3 低通濾波器的設計和仿真

為濾除混頻器輸出的高次諧波干擾，采用高低阻抗變換方法設計了低通濾波器，濾波器為5階結構，根據輸出信號頻帶范圍及高次諧波頻率范圍，設計的低通濾波器截止頻率為1.9GHz，通帶內衰減小于0.3dB，高次諧波處插入損耗大于27dB。濾波器結構與仿真結果如圖4所示。

圖4 低通濾波器結構及仿真結果

1.2.4 鑒相器整體電路集成

最后，需要將各個分離元件進行整體集成，在電路進行集成過程中時，要保證3dB分支線耦合器和3dB同相功分器輸入輸出的相位一致性，避免電路出現初相，提高鑒相準確度。在電路布局時，相鄰的傳輸線之間間距要求大于4倍線寬，與混頻器連接部分的電路采用屏蔽性能相對較好的共面波導[16-17]，利于貼片式混頻器的連接，此外由于X波段電磁波頻率高、波長短，電路容易受到阻抗變換連接處以及電路倒角等引入的寄生參數的影響，在設計時必須要考慮通過調整線長等方式進行調節，整體電路布局與相位一致性仿真結果分別如圖5、圖6所示。

1.2.5 電磁屏蔽

由于鑒相器使用時的電磁環境比較復雜、干擾較大，需要采取措施對電路進行電磁屏蔽保護以提高其抗干擾能力，因此采用了全封閉結構的電磁屏蔽盒對電路進行保護，此外采用了無源結構的雙平衡鑒相器形式，無需外加電源供電，避免了環境電磁干擾通過供電電路耦合進入鑒相電路對鑒相器產生干擾；通過電路進行布局優化，減小體積以及采用無源設計，可以方便鑒相器的使用和維護。

圖5 鑒相器電路整體結構

圖6 鑒相器整體相位一致性仿真結果

2 實物樣機性能測試

對設計的鑒相器進行了加工，電路的輸入端口采用SMA接頭連接，輸出端由于是低頻脈沖信號，采用了穿孔型BNC接頭。最終裝配完成之后的X波段微波脈沖鑒相器實物圖如圖7所示，整體尺寸為110mm×110mm×40mm。

圖7 微波脈沖鑒相器樣機

對鑒相器進行了性能考核實驗，考核指標包括不同狀態下的鑒相準確度、測量動態范圍、輸入功率不平衡對鑒相結果的影響等技術指標，實驗系統的設計主要思路：信號源輸出微波后經脈沖功率放大器放大后，經功分器分為兩路信號，通過步進和可變衰減器來改變兩路輸出功率，通過精密可調移相器改變兩路的相位差。實驗系統設計如圖8所示。

圖8 鑒相器性能測試實驗系統框圖

實驗過程中步進和可變衰減器的調整會影響信號的傳輸相移的不平衡度，而移相器的調節影響功率的不平衡度，即功率和相位調節是相互影響的。同一功率點進行相位差測試時需要基于網絡分析儀對兩條輸入通路進行校準，以保證兩條通路的輸出相位為零，調節移相器完成0°～90°相位測試。通過調節信號源輸出功率或者脈沖放大器的增益，可實現不同輸入功率下的鑒相性能測試。通過調節步進衰減器和可調衰減器的衰減量，可實現兩路輸入功率不平衡，但每次改變步進衰減器和可調衰減器后需要對兩通路相位校準，以保證兩條通路的輸出相位為零。

被測脈沖寬度300ns，脈內相位變化范圍30°時的典型鑒相器輸出波形如圖9（a）所示，按照式（5）計算得到的相位測量結果如圖9（b）所示，從圖中可以看出，鑒相器對脈沖信號響應較快，脈沖前后沿約為20ns，對于百納秒級微波調制脈沖信號的相位測量效果良好，測量線性度較好。

然后在12～22 dBm的輸入功率范圍內，分別以2dBm為間隔測試了不同輸入功率下鑒相器的相位測量結果，共計測量點為95個，測量結果見圖10，結果表明，鑒相器動態范圍達到10 dB，最大承受功率22dBm，測量誤差小于5°，初步分析，由于輸入功率變化引起的測量結果變化主要是由于混頻器的非線性引入。

圖9 鑒相器輸出波形與相位測量結果

圖10 不同輸入功率鑒相結果

由于實際在HPM相位測量過程中，可能會面臨兩路輸入信號功率大小不同，影響測量結果準確度，因此通過實驗測試的方式考察了兩路輸入信號的功率比變化時，鑒相器測量結果的波動。實驗中模擬了18dBm輸入功率狀態下，兩路輸入功率不平衡（±3dB、±2dB、±1dB共 6個不平衡狀態）狀態下的鑒相結果，測量結果如圖11所示。

圖11 輸入功率不平衡時的鑒相結果

由圖中的測試結果可以看出：在兩路輸入功率不平衡系數±3dB內，對±45°相位差范圍內引起的鑒相結果波動在±3°以內，在-60°左右波動最大，可能是由于雙平衡混頻器的增益壓縮造成的。鑒相器工作時不需要外加電源，性能穩定，受環境電磁干擾影響較小。

3 結束語

高功率微波測量系統中的微波器件常工作在極端量值條件下，且被測信號通常為百納秒級短脈沖，載波頻率可達X波段甚至更高，對其相應的測試系統提出了較高要求，本文針對X波段HPM相位測量的實際需求，采用I/Q解調技術設計研制了X波段微波雙平衡脈沖鑒相器，并搭建測試系統進行測試。測試結果表明：該鑒相器各方面技術指標達到要求，鑒相器具有鑒相準確度高、動態范圍寬、功率容量大、抗干擾能力強以及使用方便等優點，滿足HPM脈沖信號相位測量的要求。

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（編輯：李妮）

Design and implementation of X-band HPM pulsed phase discriminator

WANG Yi， GUO Xiaodong， ZHANG Cuicui， WANG Jianzhong， HE Bin
（Metrology and Testing Center，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

To meet the requirements of signal phase difference measurement with high-power microwave technology， a microwave pulsed phase discriminator was designed for the accurate measurement of phase difference for the X-band pulsed signal.Based on I/Q demodulation method，the phase discriminator applied a double-balanced circuit structure that didn't require external power supply，designed a same-phase power splitter and branch bridge using the microstrip line and mixes the signal under test orthogonally in chip mixer to get electrical signals related to the phase difference.In circuit design， a broadband circuit structure was adopted to extend the bandwidth.The phase consistency of each signal transmission path was analyzed and calculated using the electromagnetic simulation software，avoiding the initial phase error of the circuit.The high order harmonic was restrained using a low-pass filter and the accuracy ofphase discrimination was improved.Finally，a prototype was made and the performance was tested.The test results show that the phase discriminator can realize the phase measurement of hundred ns microwave pulse signal with the dynamic range of 10 dB，the maximum power of 22dBm and the measurement error of less than 5°.

X-band； phase measurement； phase discriminator； pulsed signal

A

1674-5124（2017）06-0134-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.028

2016-09-23；

2016-11-15

王 益（1986-），男，四川綿陽市人，工程師，碩士，主要從事微波計量與測試技術研究。