小型化S波段鎖相遙測發射組件

中國電子科技集團公司第十三研究所 張軼鵬

上海無線電設備研究所 黃紅云

1 前言

在現代遙測系統中，S波段遙測發射組件是及其重要的射頻設備。系統要求該設備不僅工作穩定可靠，而且具有小體積、易調試、低雜散、高碼率等特性[1]。

在PCM 發展初期，所需電路相當復雜,經濟性與可靠性很差。50 年代末, 半導體技術的發展使PCM 電路系統成本大幅下降,數字式PCM 通信方式得到很好的發展。我國從60 年代開始研制二元PCM遙測系統，80 年代初形成了新的多元PCM- PPK遙測系統，S波段PCM 遙測發射組件作為遙測系統的關鍵部分也獲得了很好的發展。最初的 PCM 發射組件采用晶振調頻、多次倍頻和放大的技術方案，由于其結構復雜、調試困難、頻穩度低、體積大、碼率低等缺點早已淘汰。通過直接調頻、倍頻、放大技術設計的PCM 發射組件，雖然可以得到較大的調制頻偏，但由于倍頻環節的存在，使系統噪聲積累和輸出功率下掉。在晶振上直接調頻導致頻穩度很差，而且結構龐大[2]。

縱觀上述PCM 發射組件的設計，碼速率較低、體積較大是它們的最大不足，已經無法適應現代系統的需要。

本文討論的一點注入式鎖相技術設計的PCM 發射組件，具有小體積，易調試，低雜散、碼率高等特點，發射組件輸出功率為2W 以上。

2 遙測發射組件

其工作原理是：鎖相環作為相位負反饋系統，把系統輸出信號的相位鎖定在輸入信號的相位上。在鎖相環中，鑒相器把經分頻后的信號和參考信號的相位進行比較，產生對應于兩信號相位差的誤差電壓。環路濾波器濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲，以保證環路所要求的性能，提高系統的穩定性。輸出的壓控振蕩器，使其頻率向參考信號頻率靠近，也就是使兩者頻率之差越來越小，直至消除頻差而鎖定，同時，調頻（FM）信號通過預調電路迭加到VCO的電調控制端，最后經放大濾波輸出所需的微波調頻信號[2]。調制鎖相源把晶振信號倍頻鎖相到需要的微波頻率，在鎖相倍頻的同時，把要調制的PCM數據流通過預調制，加到頻率源的線性壓控振蕩器上，實現PCM的數據的FM調制，調制后的信號經功率放大后到1W，再經低通濾波輸出。原理框圖如圖1所示。

該遙測組件發射組件要求的實現功能多、體積小、工作溫度范圍寬，可靠性高。目前微波調頻鎖相源常采用的方案有兩類。

第一類：一點注入式微波鎖相調頻。調制信號直接加在微波壓控振蕩器(VCO)的電調輸入端，使VCO的輸出頻率隨調制信號線性變化，該調頻方案稱為一點注入式微波鎖相調頻，圖2為其原理框圖。

該電路通過把鎖相環路的截止頻率設置的低于調制信號的最低頻率即可實現對VCO的直接鎖相調頻，具有電路簡單，調試方便的特點。

圖1 遙測發射組件原理框圖

圖2 一點注入式鎖相調頻電路框圖

第二類：準兩點注入式微波鎖相調頻。將調制信號分成2路，一路直接注入到VCO輸入端，使VCO的輸出頻率隨調制信號線性變化，實現直接調頻；另一路經過一個積分器注入到環路濾波器輸入端口后，再對VCO進行調相來實現間接調頻。該調頻方式就稱為準兩點注入式微波鎖相調頻，其電路構成框圖如圖3所示。

圖3 準兩點注入式鎖相調頻電路框圖

該電路通過設計積分器的積分常數可以實現調制特性與環路響應無關的特點，但電路較復雜，體積較大，積分常數和預調電路的配合調試復雜。

綜合考慮該發射電路的技術指標，我們采用一點注入式微波鎖相調頻方案來實現。

3 詳細設計

S波段鎖相源輸出頻率為2200 MHz～2400MHz,步進為500kHz，通過用戶提供的三線來配置頻率。

對S波段鎖相源來說，其電路設計主要包括晶振設計、環路濾波器設計、壓控振蕩器設計、預調電路設計等。下面逐一進行詳細分析。

（1）晶振設計

鑒于該鎖相源對相噪指標無很高的要求以及體積的限制，采用20MHz小型貼裝的溫補晶振為鎖相環提供參考信號，輸出信號為方波。溫補晶振型號為PXM07A-H-KW-N@20M，其溫度穩定度可達到≤±3×10-5，從而可滿足指標≤±5×10-5要求。

（2）環路濾波器設計

該鎖相源參考信號為20MHz方波，鑒相頻率為500kHz，射頻信號范圍為2.2GHz～2.4GHz，步進為0.5MHz，環路濾波器采用無源設計，環寬約為80Hz，環路濾波器參數如圖4所示。

寄生調頻主要是鎖相源在外加調制信號下的偏移失真。通過合理設計鎖相環路的帶寬，在滿足調制頻響的前提下盡量加寬環路帶寬，從而使鎖相源的帶內噪聲較好即可減小寄生調頻的影響。對此，由于調頻信號的速率為100Hz～5MHz，因此，通過經驗可知當環寬設置為幾十Hz時即可達到指標要求。其環路參數設計如下。

參考源的頻率為20MHz，鑒相頻率為500kHz，采用高增益三階環的設計公式進行計算，然后由實驗來驗證所設條件是否滿足，計算是否合理。首先根據實際需要，正確選擇鎖相環中的以下幾個參數。

阻尼系數ξ：阻尼系數ξ是一種描述鎖相本振信號穩定性的參數，ξ值的大小將直接影響鎖相環路的瞬態特性。ξ值太大，鎖相環路處于過阻尼狀態，使鎖相環路的低通特性變差，濾除不掉鑒相頻率；ξ值太小，鎖相環路處于欠阻尼狀態 ，使鎖相環路的瞬態特性有較大過沖，將使捕捉時間加長。為了兼顧鎖相環路的過渡時間及噪聲帶寬，ξ一般?。?/2）1/2，即ξ＝0.707；

噪聲帶寬Bn：噪聲帶寬Bn用來表示環路濾除噪聲的能力。噪聲帶寬Bn越小，環路濾除帶外噪聲的能力越強。即當噪聲通過環路時，可以把環路看作噪聲帶寬為Bn的濾波器。在此根據實際工程需要選取Bn=80Hz，根據實測結果，寄生調頻約3kHz，環路濾波器設計如圖4所示。

圖4 環路濾波器設計

其中環路相應如圖5所示。

圖5 環路相應示意圖

（3）壓控振蕩器設計

采用了我所自行研制的雙調諧壓控振蕩器（VCO），電路簡單、性能穩定可靠、具備批生產的能力。

VCO粗調端接環路濾波器，完成調相功能。PCM調制信號經預調電路后接入VCO的細調端，使VCO的輸出頻率隨調制信號線性變化，實現直接調頻的功能，最高調制速率不低于10MHz。原理框圖如圖6所示。

（4）預調電路

調制信號0～5Vpp，100Hz～5MHz，正調制極性，調制頻偏2MHz±20%。VCO細條靈敏度約3MHz/V，因此調制信號接入細調端之前需進行分壓處理，將平均電壓降至0.7V左右，來解決器件靈敏度高對調制頻偏的影響，同時通過溫補措施來減小VCO線性度差對調制頻偏在溫度特性下的影響，從而使產品在高碼速率的頻響特性下，保持比較穩定的調制頻偏。預調電路原理圖如圖6所示。

圖6 雙調諧壓控振蕩器設計原理

4 樣品制備及結果分析

根據上述方案，我們研制出S波段鎖相遙測發射組件，本文對發射組件性能進行測試，結果如下：工作頻率2.2-2.4GHz，步進0.5MHz，輸出功率≥1W，頻偏為2MHz±10%，頻率穩定度優于±5×10-5，相噪達到-90dBc/Hz@10kHz,輸出雜波、諧波不小于60dB，與設計值完全相符。發射組件如圖7所示，載波頻譜如圖8所示。

圖7 S波段鎖相遙測發射組件實物

圖8 S波段鎖相遙測發射組件頻譜

5 結論

本文采用SMT工藝、全新的壓控振蕩器設計理念，重點解決了產品小型化、難調試、低碼率等問題。經過產品的研制，產品體積、調試量、性能等達到預期要求。

[1]章學鋒,石光明.小型S波段鎖相遙測發射機[J].電子科技,2008,21(9):20-23.

[2]鄭貴強,周邦華.遙測發射機的高碼速率實現和小型化技術[J].遙測遙控,2014,5(10):41-43.