L波段多路模擬正交解調(diào)組件的研制

袁同力（華東電子工程研究所，安徽合肥，230088）

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L波段多路模擬正交解調(diào)組件的研制

袁同力
（華東電子工程研究所，安徽合肥，230088）

摘 要：雷達(dá)系統(tǒng)中，正交解調(diào)能夠獲取信號(hào)幅度信息和相位信息，它的指標(biāo)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)具有重要影響。本文分析了模擬正交解調(diào)的原理，通過對(duì)電路幾個(gè)構(gòu)成部分的分析，得出了影響指標(biāo)的各主要因素。在L波段多路模擬正交解調(diào)組件研制中，針對(duì)這些問題，進(jìn)行了正交解調(diào)器件的特性分析、低通濾波器幅相一致性設(shè)計(jì)和視頻放大電路設(shè)計(jì)；分析了電路設(shè)計(jì)中的匹配問題；闡述了版圖的設(shè)計(jì)思路，并給出了組件的測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果及性能在工程中得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：正交解調(diào) ； 低通濾波 ；線性放大

引言

在現(xiàn)代雷達(dá)中，接收機(jī)所獲得的信號(hào)，需要提取幅度信息和相位信息。正交解調(diào)保留了信號(hào)幅度和相位信息，為系統(tǒng)提供最大的相干性，提高了系統(tǒng)信號(hào)處理增益，同時(shí)解決單個(gè)相位檢波器存在的盲相和無(wú)法識(shí)別目標(biāo)多普勒速度方向的問題。解調(diào)可以采用模擬解調(diào)的方法，也可以采用數(shù)字解調(diào)的方法。模擬正交解調(diào)可以處理較寬的基帶帶寬，采樣率要求低，功耗也比較低，在雷達(dá)信號(hào)處理中有很廣泛的應(yīng)用［1，2］。

1 正交解調(diào)器的原理分析

模擬正交解調(diào)又稱為零中頻處理，因?yàn)橄喔杀菊竦念l率與中頻信號(hào)的中心頻率相等，差頻為零。模擬正交解調(diào)的原理框圖如圖1所示。

圖1 模擬正交解調(diào)基本原理框圖

上圖中，輸入信號(hào)是中頻信號(hào)，它可以表示為：

式（1）中a（t）為信號(hào)的幅度調(diào)制函數(shù)，φ（t）是相位調(diào)制函數(shù)， （幅度和相位調(diào)制函數(shù)）ωi相比都是時(shí)間的慢變函數(shù)，信號(hào)可以表示為：

上式中，u（t）=a（t）ejφ（t）是復(fù)調(diào)制函數(shù)，它具有信號(hào)S（t）的全部信息。假設(shè)φ（t）=ωdt （在雷達(dá)中，多普勒頻率通常為中頻信號(hào)和相干信號(hào)的頻差），中頻附加的多普勒頻率可以由函數(shù)u（t）=a（t）ejωdt表示。頻率的正負(fù)值可以從復(fù)函數(shù)的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分的相互關(guān)系中判斷。

信號(hào)S（t）乘以復(fù)函數(shù)e-jωit就可以把復(fù)函數(shù)u（t）單獨(dú)提取出，獲得中頻信號(hào)所含有的全部信息量：

通過低通濾波后取出其復(fù)函數(shù)u（t）而濾去高次項(xiàng)u*（t）e-j2ωit。

上式表示需要對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行兩路正交處理，其中基準(zhǔn)cosωit和一路信號(hào)進(jìn)行相干檢波，得到同相支路I，即a（t）cosφ（t）；基準(zhǔn)sinωit和另一路信號(hào)進(jìn)行相干檢波，得到正交支路Q，可以表示為a（t）sinφ（t）。sinωit和cosωit相差90°。振幅函數(shù)，比較I、Q兩支路的相對(duì)值即可判斷出多普勒頻率fd的正負(fù)值。

2 L波段多路正交解調(diào)組件的組成框圖

本文研制的組件有3路中頻輸入信號(hào)，其中一路是寬帶信號(hào)，中頻帶寬700MHz，兩路是窄帶信號(hào)，中頻帶寬80MHz。L波段正交解調(diào)電路組成框圖如下頁(yè)圖2所示。AGC的范圍是30dB，用來提高輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，信號(hào)放大后進(jìn)行正交解調(diào)，解調(diào)后的視頻信號(hào)分別進(jìn)行濾波和放大，使其幅度滿足數(shù)字采集電路的動(dòng)態(tài)要求。

正交解調(diào)組件主要指標(biāo)是視頻輸出I、Q信號(hào)的幅相關(guān)系：即幅度的一致性和相位的正交性，理想的情況是I信號(hào)和Q信號(hào)的幅度完全一致，相位正交，輸出P-1滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的需要。實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)I、Q兩通道間的良好平衡。圖2組成框圖的每部分都會(huì)影響到I、Q信號(hào)的幅相關(guān)系。

從框圖上可以看到，有以下三個(gè)主要因素影響它的指標(biāo)：

（1）正交解調(diào)部分

（2）低通濾波器的指標(biāo)

（3）視頻放大部分的設(shè)計(jì)

圖2 L波段正交解調(diào)電路組成框圖

3 關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)

3.1 正交解調(diào)部分的設(shè)計(jì)

圖3 正交解調(diào)部分框圖

解調(diào)器件指標(biāo)典型值：

· 中頻頻率：L波段

· 視頻帶寬：DC---500MHz

· 插入損耗：6dB

· LO到IF之間的隔離度：43 dB

· 相位不正交度：3度

· 幅度不一致性：0.3 dB

· P-1輸入4dBm

圖3為正交解調(diào)部分框圖?；祛l器是非線性器件，它的輸出有兩種主要形式的失真產(chǎn)物：?jiǎn)我艚徽{(diào)信號(hào)和雙音交調(diào)信號(hào)。單音交調(diào)是混頻器本振信號(hào)及其諧波對(duì)中頻信號(hào)及其諧波組合的結(jié)果，這需要根據(jù)工作頻率選擇滿足要求的器件。

表1 單音交調(diào)輸出抑制數(shù)據(jù)（單位dBc）

根據(jù)表1單音交調(diào)輸出抑制的數(shù)據(jù)，低階的單音交調(diào)通過后面的低通濾波器可以濾除，高階的抑制度可以滿足要求。

雙音交調(diào)是輸入端有兩個(gè)信號(hào)同時(shí)加入的結(jié)果，這兩個(gè)信號(hào)互相組合，按（2RF2±RF1）±LO或（2RF1±RF2）±LO與本振信號(hào)組合，它們的振幅比較大也很難用濾波器濾除。雙音交調(diào)的輸出與輸入信號(hào)的幅度的立方成正比，又叫雙音三階交調(diào)，這表明輸入變化10dB，輸出就變化30dB。

圖4 IM3、IIP3、OIP3、G、P1dB等指標(biāo)之間的關(guān)系圖

圖5 低通濾波器模型圖

圖4表示了各指標(biāo)之間的關(guān)系?，F(xiàn)在我們已知器件所用混頻器P-1輸入為4dBm，一般輸入三階交叉點(diǎn)IIP3比P-1輸入高10～15dB，如取10 dB，則IIP3為14 dBm，A為輸出信號(hào)與三階互調(diào)的差值。如果輸入解調(diào)器的信號(hào)幅度選取為-10dBm，進(jìn)入混頻的信號(hào)幅度為-13dBm。

即輸出信號(hào)比三階交調(diào)大54dB，滿足使用的要求。所以在電路設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)抑制的需要合理分配前級(jí)的增益。

3.2 濾波電路的設(shè)計(jì)

混頻過程中會(huì)產(chǎn)生交調(diào)分量和高次諧波，相干本振也會(huì)泄露載輸出端，因此混頻后必須有濾波器對(duì)它們進(jìn)行抑制，理想的濾波器帶外抑制高，插損小。兩只濾波器的幅相一致性指標(biāo)也很關(guān)鍵，直接影響輸出I、Q的幅相一致性指標(biāo)，同時(shí)濾波器帶內(nèi)要具有良好的相位線性特性。

從以上要求中可以看出，帶內(nèi)插損、帶外抑制和帶內(nèi)相位線性等特性需要同時(shí)兼顧，如果按常規(guī)低通設(shè)計(jì)的話，這些指標(biāo)會(huì)出現(xiàn)沖突。根據(jù)計(jì)算，如果保證帶內(nèi)插損1.2dB，則610MHz抑制只能達(dá)到約40dB左右，遠(yuǎn)端不能滿足要求，同時(shí)非線性相位（350MHz以內(nèi)）無(wú)法達(dá)到，故通過以上指標(biāo)的分析，選用模型如圖5所示。

模型采用切比雪夫和橢圓函數(shù)的融合計(jì)算，這樣做既可以保證插損和抑制，同時(shí)在帶外有少許余量，可以調(diào)節(jié)非線性相位。

根據(jù)模型計(jì)算，仿真出傳輸特性如圖6所示。

圖6 低通濾波器傳輸特性

濾波器的幅度一致性、相位一致性的要求都非常高，必須保證元件值的篩選仔細(xì)配對(duì)，裝配方法等工藝環(huán)節(jié)保持高度一致。指標(biāo)要求如下所示：

· 帶內(nèi)平坦度＜0.2dB

· 相位一致性＜0.5°（兩只之間，350MHz以內(nèi)）

· 幅度一致性＜0.2dB（兩只之間，350MHz以內(nèi)）

3.3 放大部分的設(shè)計(jì)

視頻放大部分我們采用的是TI 公司的一款運(yùn)放THS3201，它是一款低噪聲、電流反饋型運(yùn)放，其主要指標(biāo)如下：

· 固定增益帶寬 1.8GHz

· 壓擺率 6700V/μ s

運(yùn)放的失調(diào)電壓會(huì)造成直流漂移和輸出飽和，這些都會(huì)嚴(yán)重影響正交解調(diào)電路的正交度。零點(diǎn)漂移是由溫度變化引起的。第一級(jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)由于溫度的變化發(fā)生微小的變化量，而這種變化量會(huì)被后面的電路逐級(jí)放大，這樣輸出端就會(huì)有較大的電壓漂移，如圖7所示。

圖7 直流耦合運(yùn)算放大器的零漂現(xiàn)象

放大電路中存在直流漂移，從而影響正交度，使用隔直電容可以隔去直流漂移，但它會(huì)引起頻率失真，也使得正常解調(diào)得到的直流信號(hào)無(wú)法采集，所以本文設(shè)計(jì)了具備調(diào)零功能的運(yùn)算放大電路。

視放電路單元調(diào)零示意圖如圖8所示， R4、R5、R6組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整R4和R5的阻值可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)零，消除零漂的影響。

從運(yùn)放的電特性表中可以看到，其同相輸入端的輸入阻抗為11Ω，反相輸入端的阻抗為780kΩ，所以如上連接時(shí)，在輸入端接電阻R1實(shí)現(xiàn)輸入端的阻抗匹配，THS3201的輸出阻抗為0.01Ω，所以在輸出端串接電阻R7以實(shí)現(xiàn)和后級(jí)電路的阻抗匹配。

圖8 運(yùn)算放大器的調(diào)零電路

3.4 版圖設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)

要保證輸出的I、Q信號(hào)幅度的一致性和相位的正交一致性，除了需要從上面的3方面電路設(shè)計(jì)還要注意版圖設(shè)計(jì)、加工、工藝和裝配等方面的影響

為了減小尺寸，我們采用多層板的設(shè)計(jì)，布版時(shí)要注意電源層、地層、信號(hào)層的安排，各走線層的走線方向等，這些都會(huì)影響信號(hào)的傳輸。元器件布局時(shí)要避免通道間的相互影響和微帶傳輸線間的相互耦合，在通道之間加隔筋隔開，從空間上進(jìn)行隔離，提高通道間的隔離。在解調(diào)器件輸出視頻信號(hào)以后的版圖設(shè)計(jì)中嚴(yán)格遵循等長(zhǎng)的原則，對(duì)稱布局，同時(shí)保證加工精度，避免加工過程對(duì)相位關(guān)系可能的影響。在各器件的電源管腳放置足夠和適當(dāng)?shù)娜ヱ詈想娙菀詾V除干擾和噪聲，特別注意電容的頻率響應(yīng)與溫度的特性要符合設(shè)計(jì)需要。

4 組件測(cè)試結(jié)果

· 一路寬帶IF輸入信號(hào)頻率：

1800MHz±350MHz

· 兩路窄帶IF輸入信號(hào)頻率：

1800MHz±40MHz

· 本振頻率為：1800MHz

· 本振輸入功率為：+8dBm

· 最大視頻帶寬為：DC-350MHz

· I、Q輸出幅度不平衡度為：

· I、Q輸出相位不正交度為：

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了L波段多路正交解調(diào)組件的設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)器件性能的分析合理分配增益；采用合理的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了濾波器的幅相一致性；視放部分進(jìn)行了調(diào)零和匹配電路的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)組件已交付應(yīng)用于無(wú)人機(jī)載系統(tǒng)中，寬帶解調(diào)和窄帶解調(diào)分別用于雷達(dá)系統(tǒng)的成像模式和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)模式，其性能在工程應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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［5］TI， Inc.THS3201 Data Sheet，2008.

The Design of L-Band Multi-Channel Analog Quadrature Demodulation Module

Tongli Yuan
（East China Research Institute of Electronic Engineering， Anhui， Hefei， 230088， China）

Abstract：Quadrature demodulation can get the amplitude and phase information of the signal in radar system.Its index has great influence on the radar system.This paper analyzes the principle of analog demodulation by analyzing the circuit composed of several parts， it gets the main factors affecting the various indicators.In development of multi-channel analog quadrature demodulation module in L-band ，many problems have appeared.In response to these issues， the device features the character of the quadrature demodulator， low-pass filter design and video amplifier circuit design.The article introduces the matching circuit and layout design and gives test data at last.

Key words：Quadrature Demodulation； Low-Pass Filtering； Linear Amplification

中圖分類號(hào)：TN952

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8412 （2016） 02-102-06

DOI：工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.002

作者簡(jiǎn)介：

袁同力（1969-），高級(jí)工程師。研究方向：雷達(dá)接收系統(tǒng)和微波電路設(shè)計(jì)。

E-mail： yuantl99@126.com