一種應(yīng)用于IFM的新型鑒相器設(shè)計(jì)

劉 星，趙 鵬，王志強(qiáng)

(中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所第5專業(yè)部，河北石家莊 050000)

近年來，隨著脈沖調(diào)制及變頻雷達(dá)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，測試其發(fā)射頻率特征的瞬時(shí)頻率接收機(jī)由于其在測試設(shè)備、跟蹤本振以及被動導(dǎo)引頭等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。瞬時(shí)測頻主要分為鑒相式、多通道式、計(jì)數(shù)式以及駐波式等測頻方式［1］。

鑒相式瞬時(shí)測頻如圖1所示，由于其電路形式簡單、測頻帶寬容易配置等優(yōu)點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用。為滿足不同的應(yīng)用背景以及適應(yīng)由于溫度等環(huán)境變化引起的輸入信號功率變化，要求電路在窄調(diào)制脈沖以及大動態(tài)輸入信號條件下瞬時(shí)測頻正常工作。

圖1 鑒相式瞬時(shí)測頻框圖

鑒相式瞬時(shí)測頻方案中，測頻速度、測頻準(zhǔn)確度及其工作動態(tài)范圍與鑒相電路的設(shè)計(jì)有關(guān)。(1)國外鑒相器如AD8302在射頻輸入信號為-45～0 dBm范圍內(nèi)能穩(wěn)定輸出兩路輸入射頻信號鑒相結(jié)果，但由于其器件固有響應(yīng)時(shí)間的影響，導(dǎo)致在射頻調(diào)制脈沖寬度在＜200 ns的條件下無有效信號輸出，即瞬時(shí)測頻無法正常工作。(2)傳統(tǒng)鑒相器電路中為加大工作動態(tài)，常采用多級線性放大器進(jìn)行級聯(lián)放大飽和輸出的方法實(shí)現(xiàn)鑒相電路的大動態(tài)設(shè)計(jì)，常需要6級以上的放大器進(jìn)行放大［3］，電路形式復(fù)雜、工藝要求高、功耗高。

本文采用對數(shù)放大器AD8309的對數(shù)放大、限幅輸出功能實(shí)現(xiàn)了一種新的高速、大動態(tài)鑒相器電路。利用該電路設(shè)計(jì)的瞬時(shí)測頻實(shí)現(xiàn)了在輸入射頻信號頻率298～318 MHz，信號功率-50～+20 dBm，脈沖調(diào)制信號脈沖寬度為150 ns、測頻精度150 kHz條件下準(zhǔn)確度優(yōu)于±300 kHz的技術(shù)指標(biāo)，優(yōu)于利用AD8302實(shí)現(xiàn)的瞬時(shí)測頻工作動態(tài)與最窄調(diào)制信號脈沖寬度。電路設(shè)計(jì)具有形式簡單、工藝要求低的特點(diǎn)。

1 理論分析

如圖2所示，鑒相式瞬時(shí)測頻的主要思想是將雷達(dá)發(fā)射機(jī)射頻脈沖信號分為延遲與不延遲兩路信號。假設(shè)輸入信號功分兩路后的輸出信號:

一路未經(jīng)延遲線后的信號輸出

另一路經(jīng)延遲線后的信號輸出

式中，t為射頻延遲線的延遲時(shí)間。

兩路信號混頻經(jīng)低通濾波器后的信號輸出為

圖2 鑒相器框圖

由式(3)可知，影響Es輸出幅度從而影響測頻結(jié)果輸出的主要為信號幅度A，因此放大器在一定動態(tài)范圍內(nèi)保證混頻器輸入信號幅度穩(wěn)定不變是瞬時(shí)測頻工作動態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 器件選擇

為保證鑒相電路鑒相輸出在一定的輸入動態(tài)范圍內(nèi)保持穩(wěn)定以及滿足在150 ns調(diào)制脈沖條件下有有效數(shù)據(jù)輸出，鑒相電路中的放大電路選用具有限幅輸出功能的對數(shù)放大器AD8309與放大器單片NBB-500級聯(lián)實(shí)現(xiàn)。AD8309實(shí)現(xiàn)放大限幅輸出，使放大電路在輸入信號一定動態(tài)范圍內(nèi)變化時(shí)保持穩(wěn)定輸出;NBB-500用來提高輸出動態(tài)，以使輸出信號功率滿足混頻器輸入功率要求。

AD8309內(nèi)部功能框圖如圖3所示，典型電路如圖4所示。

圖3 AD8309功能框圖

對數(shù)放大器AD8309電性能參數(shù)［2］:(1)工作頻率范圍5～500 MHz。(2)多級對數(shù)限幅放大器。(3)100 dB動態(tài)工作范圍:-78～+22 dBm。(4)可配置的限幅輸出與輸出電流;500 MHz帶寬范圍內(nèi)100 dB增益;相位延遲典型值為±80 ps。(5)工作電源+2.7～+5 V，16 mA。

圖4 AD8309典型電路

由于AD8309的輸入阻抗為1 kΩ，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)阻抗為50 Ω、輸入為單端輸入，為實(shí)現(xiàn)級間阻抗匹配，設(shè)計(jì)輸入電路如圖5所示。

圖5 AD8309輸入電路

圖6 仿真結(jié)果

AD8309差分輸出的任一端的限幅輸出幅度由電阻Rload與Rlim通過式(4)決定

為保證系統(tǒng)溫度特性以及電路輸出電流，選擇Rlim=100 Ω，由典型電路Rload=5 ×Rlim則Rload選用510 Ω。由于與AD8309級聯(lián)放大器NBB-500輸入阻抗為50 Ω，因此Rload=510//50=46 Ω。由式(4)可得AD8309單端輸出幅度VP-P=0.4×46/100=0.184 V(功率為-10.5 dBm，特征阻抗50 Ω)。

鑒相電路中混頻器選用SLD-1，其本振信號驅(qū)動功率為7±2 dBm，RF/IF輸入頻率為0.5～500 MHz，中頻輸出DC-500 MHz，滿足鑒相器的射頻輸入、中頻輸出頻率要求。為滿足其功率輸入要求，選用NBB-500與AD8309進(jìn)行級聯(lián)放大。NBB-500在設(shè)計(jì)頻率298～318 MHz范圍內(nèi)增益為 20.5 dB，P-1為+12.3 dBm，經(jīng)其放大后輸出信號功率為+10 dBm，通過功分器功分后到達(dá)混頻器本振輸入端信號功率為+6.8 dBm，滿足混頻器本振驅(qū)動功率要求。鑒相輸出采用LTCC低通濾波器LFCN-80濾除高次雜波，其中S21輸出曲線如圖7所示。

圖7 低通濾波器LFCN-80輸出曲線

最終設(shè)計(jì)工作頻帶內(nèi)輸出鑒相信號Es正弦波幅度為0 dBm。為實(shí)現(xiàn)在整個(gè)頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)無模糊區(qū)域，選擇延遲線長度使Es在20 MHz帶寬范圍內(nèi)輸出半正弦，輸出仿真波形如圖6所示。

2.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

鑒相器電路設(shè)計(jì)結(jié)果如圖8所示。

圖8 鑒相器設(shè)計(jì)

將信號源設(shè)置為298～318 MHz線性掃頻，頻率步進(jìn)為150 kHz，用示波器測試鑒相電路輸出信號如圖9所示，測試結(jié)果表明，鑒相器輸出與仿真結(jié)果一致，在測試頻帶內(nèi)具有單調(diào)性。

圖9 鑒相輸出信號

3 試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用該鑒相器在瞬時(shí)測頻電路中，設(shè)定射頻輸入信號頻率298～318 MHz，信號功率為-30 dBm，脈沖調(diào)制信號寬度為150 ns條件下，測頻精度150 kHz。測試結(jié)果如表1所示。

表1 IFM結(jié)果輸出

由表1測頻結(jié)果可知，基于新鑒相器的瞬時(shí)測頻在工作頻帶內(nèi)的輸出準(zhǔn)確度≤±300 kHz。改變輸入信號功率，測頻模塊在射頻輸入功率為 -50～+20 dBm的70 dB動態(tài)范圍內(nèi)均能達(dá)到≤±300 kHz的測頻輸出準(zhǔn)確度。整個(gè)鑒相器電路的工作電壓為+3.3 V，工作電流51 mA，滿足低功耗設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新的瞬時(shí)測頻用鑒相器電路?；谠撾娐?，鑒相式瞬時(shí)測頻達(dá)到了最小射頻調(diào)制脈沖寬度150 ns、工作動態(tài)70 dB的技術(shù)指標(biāo);在20 MHz信號帶寬、測頻精度設(shè)計(jì)為150 kHz的條件下，測頻結(jié)果準(zhǔn)確度優(yōu)于±300 kHz。達(dá)到了技術(shù)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求，并成功應(yīng)用于某自動頻率跟蹤的瞬時(shí)測頻單元中。整個(gè)鑒相器電路設(shè)計(jì)具有形式簡單、功耗低、可靠性高、成本低等特點(diǎn)，在工作輸入射頻調(diào)制脈沖寬度與工作動態(tài)方面優(yōu)于國外專用器件，并可進(jìn)一步進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。

［1］胡來招.瞬時(shí)測頻［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002.

［2］Analog Devices，Inc.AD8309 datasheet［M］.USA:Analog Devices，Inc，2011.

［3］王青平，張曉發(fā)，譚淵，等.基于IFM的小型化線性射頻放大器設(shè)計(jì)［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2012(2):114-117.

［4］王坤鵬，牛中奇，楊博，等.鑒相器頻率對調(diào)頻連續(xù)波信號線性度影響［J］.電子科技，2011，24(5):53-55.

［5］方明，羅春暉，李縱.用于檢測調(diào)諧回路的鑒相器分析設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，36(5):163-166.