一種高碼速率的微波鎖相調(diào)頻源

摘 要：介紹了準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式調(diào)頻技術(shù)，以及相關(guān)電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。理論分析和實(shí)踐表明，準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式鎖相調(diào)頻源具有平坦的寬帶調(diào)制特性，能滿足高碼速率測(cè)控通信發(fā)射設(shè)備的實(shí)際要求。

關(guān)鍵詞： 測(cè)控通信 鎖相 調(diào)頻源 PCM體制

隨著二十一世紀(jì)的來(lái)臨，測(cè)控通信系統(tǒng)將朝著更高傳輸速率的方向發(fā)展，即所要傳輸?shù)膽?zhàn)術(shù)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)容量和參數(shù)種類隨著武器系統(tǒng)的發(fā)展而劇增，將要求PCM信號(hào)的碼速率由目前的幾百kb/s增加到2Mb/s或更高。在國(guó)際測(cè)控通信頻段（S波段），要實(shí)現(xiàn)2Mb/s PCM信號(hào)的調(diào)頻，構(gòu)成調(diào)頻源的技術(shù)方案有兩種。一種是在晶體振蕩器上進(jìn)行調(diào)頻，然后再通過(guò)倍頻、濾波和放大鏈路來(lái)達(dá)到所需的工作頻率、功率和調(diào)制特性。該方案使用經(jīng)典電路，容易實(shí)現(xiàn)高碼速率信號(hào)的寬帶調(diào)頻，但其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試難度大，雜波抑制比和工作穩(wěn)定性也不十分理想。另一種方案是在微波頻段進(jìn)行鎖相調(diào)頻，也就是在鎖相振蕩器中采用兩點(diǎn)注入式調(diào)頻方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)2Mb/s遙測(cè)信號(hào)的寬帶調(diào)頻。它克服了第一種方案的缺點(diǎn)，達(dá)到較好的技術(shù)性能，是工程應(yīng)用中比較好的技術(shù)方案。兩點(diǎn)注入式調(diào)頻也有兩種實(shí)現(xiàn)方式，即完全兩點(diǎn)注入式調(diào)頻方式和準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式調(diào)頻方式。前一種方式是將PCM信號(hào)分成兩路，一路注入到S波段壓控振蕩器（VCO），另一路注入到晶振參考源。在晶振進(jìn)行寬帶調(diào)頻，將與頻率穩(wěn)定度之間有一定的矛盾，具體實(shí)現(xiàn)有較大技術(shù)難度。而后一種方式卻不存在這一問(wèn)題。因此，本文研究的調(diào)頻源將選用準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式調(diào)頻方式。

１ 準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式鎖相調(diào)頻源構(gòu)成和調(diào)頻

特性分析

將PCM信號(hào)分成兩路，一路直接注入到S波段VCO輸入端，使VCO的輸出頻率隨著調(diào)制信號(hào)線性變化，實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻；另一路經(jīng)過(guò)一個(gè)積分器注入到環(huán)路濾波器輸入端口后，再對(duì)VCO進(jìn)行調(diào)相來(lái)實(shí)現(xiàn)間接調(diào)頻。該調(diào)頻方式稱為準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式鎖相調(diào)頻。準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式鎖相調(diào)頻源構(gòu)成框圖如圖１所示。圖中，PD為鑒相器；LF為環(huán)路濾波器；N為環(huán)路中分頻器鏈路總的分頻比；晶振為鎖相環(huán)路的參考源。

圖2為準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式鎖相調(diào)頻源的相位模型。圖中，為簡(jiǎn)化分析，未將預(yù)調(diào)電路考慮進(jìn)去，但不影響分析結(jié)果。 lang="EN-US" style="font-size:10.5pt;mso-bidi-font-size: 10.0pt;font-family:"Times New Roman";mso-fareast-font-family:宋體;mso-font-kerning: 1.0pt;mso-ansi-language:EN-US;mso-fareast-language:ZH-CN;mso-bidi-language: AR-SA">   是VCO的壓控靈敏度；  (V/rad)是鑒相器的鑒相靈敏度；  (1/S)為積分器的積分時(shí)間常數(shù)；F(S)是環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)；  （S）為PCM信號(hào)。

由相位模型可得

??

為使調(diào)頻特性分析簡(jiǎn)便，設(shè)θｉS=0解方程組（1）得出  （S）引起的環(huán)路總輸出相位變化

所以，產(chǎn)生的調(diào)制頻偏為：

式（４）表明，在準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式調(diào)頻中，合理設(shè)計(jì)積分器，選擇其積分常數(shù)Km滿足下列條件：

其調(diào)頻特性將為一平坦的直線Kv，即可得到與環(huán)路響應(yīng)無(wú)關(guān)的寬帶調(diào)制特性。這一技術(shù)特性正好滿足高碼速率信號(hào)的調(diào)頻要求。

２ 主要電路的設(shè)計(jì)

2.1 VCO調(diào)頻電路

按照國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于PCM／FM測(cè)控通信系統(tǒng)，要確保系統(tǒng)的誤碼概率最小，其最佳調(diào)制頻偏應(yīng)選擇為

 為適應(yīng)2Mb/s PCM信號(hào)傳輸和寬帶調(diào)制的要求，采用的VCO調(diào)頻電路應(yīng)具有調(diào)制線性范圍寬，調(diào)制頻偏大的特性。據(jù)此，選用雙變?nèi)荻O管部分接入回路形式的調(diào)頻電路，如圖３所示。圖中，電感Ｌ為一段四分之一波長(zhǎng)、特性阻抗為100Ω的高阻抗微帶線，它將V1的正極直流接地。V1和V2為相同型號(hào)的變?nèi)荻O管，V3為VCO振蕩管。

要使2Mb/s PCM信號(hào)能在調(diào)頻電路中產(chǎn)生調(diào)制響應(yīng)，并有較大的調(diào)制頻偏，其技術(shù)關(guān)鍵在于變?nèi)荻O管的選取。

對(duì)于變?nèi)荻O管，它的結(jié)電容Ｃｊ與所加的電壓信號(hào)ＶＲ之間有如下關(guān)系：

式中，?為變?nèi)荻O管內(nèi)建電位差（對(duì)于GaAS管，φ=1.3V）；C`0是VR=0時(shí)的結(jié)電容，為一常數(shù)；γ是電容－電壓斜率指數(shù)。

選擇變?nèi)荻O管，電容－電壓斜率指數(shù)γ是我們應(yīng)考慮的重要因素。因?yàn)椋?gamma;≈１的變?nèi)荻O管僅適用于窄帶調(diào)制，而1.2＜γ＜1.4的變?nèi)荻O管是寬帶調(diào)制的最佳選擇。例如，選取美國(guó)MACOM公司生產(chǎn)的GaAs超突變結(jié)變?nèi)荻O管MA46482，其γ值為1.25。

2.2 環(huán)路濾波器和積分器電路

環(huán)路濾波器和積分器電路如圖4所示。其中，環(huán)路濾波器采用有源比例積分低通濾波器，由運(yùn)算放大器CA3140E和  、  、C組成。積分器由另一個(gè)CA3140Ｅ和  構(gòu)成，為有源積分器。

環(huán)路濾波器中  、  、C的值由環(huán)路自然諧振角頻率ωn和阻尼系統(tǒng)ξ這兩個(gè)參數(shù)決定。其計(jì)算公式為?

?

在設(shè)計(jì)中，選取ωn=2π×100rad/s,ξ=0.707,kV=2π×8×106rad/sV,kD=20.12V/rad,n=320,c=0.1μF，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到R1=477.4kΩ,R2=22.5kΩ。實(shí)際取R1=470kΩ,R2=22kΩ。

對(duì)于有源積分器，它的積分時(shí)間常數(shù)計(jì)算式為?

另外，為確保有源積分器能正常工作，其運(yùn)算放大器的3腳應(yīng)接上一個(gè)20kΩ的電阻。

 2.3 分頻器鏈路

鎖相環(huán)路中的分頻器鏈路是使用÷4分頻器IFD-53110和÷80分頻器SE114來(lái)組成，如圖5所示。IFD-53110是微波高速分頻器，屬于微波和ECL電路，最高工作頻率達(dá)3500MHz，微帶封裝結(jié)構(gòu)，體積比較小。SE114為ECL和TTL集成電路，最高工作頻率可達(dá)1000MHz。

該分頻器鏈路的輸入信號(hào)為經(jīng)微帶耦合輸入的VCO信號(hào)，四分頻器和八十分頻器之間是通過(guò)一個(gè)阻容耦合網(wǎng)絡(luò)連接，鏈路輸出信號(hào)，即經(jīng)320次分頻后的VCO信號(hào)送到鑒相器輸入端口。

３ 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

本調(diào)頻源的振蕩管選用AT-42070晶體管，鑒相器是MC4344集成塊，晶振參考源選用溫補(bǔ)晶振ZWB-18B。將微波高速分頻器和FM／VCO電路制作在40×30  的微帶片子上，鎖相環(huán)路和其它電路一起制作在76×79  的印制板上，整個(gè)調(diào)頻源體積為115×85×35  。經(jīng)過(guò)精心調(diào)試和反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，調(diào)頻源達(dá)到了以下主要技術(shù)指標(biāo)：

·工作頻率：S頻段；

·輸出功率大于100mW；

·頻率穩(wěn)定度達(dá)到  ；

·輸入2.048Mb/s PCM信號(hào)，調(diào)制頻偏±700kHz；

·雜波抑制比高達(dá)62dBc；

·工作電壓＋27V，電流0.25A。

總之，準(zhǔn)兩點(diǎn)注入式鎖相調(diào)頻源，具有平坦的寬帶調(diào)制特性。當(dāng)積分器的參數(shù)設(shè)計(jì)適當(dāng)時(shí)，調(diào)制特性與環(huán)路參數(shù)無(wú)關(guān)，使環(huán)路參數(shù)的設(shè)計(jì)范圍增大，有利于提高調(diào)頻源鎖定狀態(tài)的穩(wěn)定性，該調(diào)頻源適用于2Mb/s測(cè)控通信系統(tǒng)調(diào)頻發(fā)射設(shè)備的研制。文中的分析結(jié)果和給出的主要電路，在技術(shù)上有較大的參考價(jià)值。