重頻超寬帶脈沖對混頻器的干擾特征分析

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(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

0 引言

超寬帶脈沖是指電場峰值較大的、上升時間在納秒或亞納秒量級、脈沖持續(xù)時間在納秒(ns)或者亞納秒量級、頻譜寬度為幾十MHz～幾個GHz的單極性或者雙極性的非調(diào)制的電磁波[1-4]。因超寬帶脈沖具有前沿快、脈寬窄、頻譜寬的特點(diǎn)，可作為電子設(shè)備的干擾源。當(dāng)前，針對超寬帶脈沖對電子設(shè)備的效應(yīng)研究多集中于系統(tǒng)級的仿真和實驗分析上。文獻(xiàn)[5-8]分別介紹了超寬帶脈沖對無線電引信、GPS接收機(jī)、通信電臺等電子設(shè)備的效應(yīng)研究成果。而超寬帶脈沖對電子器件的效應(yīng)研究則較少，且多側(cè)重于超寬帶脈沖對電子器件的毀傷效應(yīng)研究上[9-10]。針對超寬帶脈沖對電子器件的干擾效應(yīng)研究，文獻(xiàn)報道較少，文獻(xiàn)8研究了重頻超寬帶脈沖對低噪聲放大器的干擾效應(yīng)，給出了重頻超寬帶脈沖對低噪聲放大器的干擾特征以及脈沖參數(shù)對干擾特征的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)滿足一定參數(shù)要求的重頻超寬帶脈沖注入低噪聲放大器時可壓制低噪聲放大器的正常輸出。

接收機(jī)射頻前端為電臺等通信設(shè)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其一般包含限幅器、低噪聲放大器、濾波器、混頻器等關(guān)鍵電子元器件，用以實現(xiàn)通信信號的接收、濾波、限幅、放大、和變頻等功能。

混頻器同低噪聲放大器一樣為通信設(shè)備接收機(jī)射頻前端的重要組成組件，其技術(shù)性能對通信設(shè)備接收機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)有重要的影響。因此，研究重頻超寬帶脈沖對混頻器的干擾特征有助于分析重頻超寬脈沖對通信設(shè)備的干擾效應(yīng)機(jī)理。

1 混頻器工作原理

混頻器是一種非線性時變電路，依靠電路本身的非線性來完成頻率轉(zhuǎn)換。根據(jù)所使用的非線性器件，混頻器可分為二極管混頻器、晶體管混頻器和場效應(yīng)管混頻器；根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同，主要分為單管混頻器、平衡混頻器、環(huán)形混頻器等；根據(jù)混頻器的增益特性，可分為有源混頻器和無源混頻器。衡量混頻器工作性能的主要指標(biāo)有變頻增益/損耗、工作頻率、隔離度等。典型的混頻器電路主要完成3個功能：乘法、放大/衰減、濾波。一個理想的混頻器的輸出由輸入信號與本振信號的和頻與差頻組成。實際混頻器的工作，通常是以二極管或晶體管提供的非線性為基礎(chǔ)，因此，其輸出會產(chǎn)生較多的頻率分量[11]。重頻超寬帶脈沖信號包含豐富的頻譜分量，當(dāng)作為干擾信號注入混頻器時可能會對混頻器的正常工作產(chǎn)生影響。

2 仿真分析

針對某型通信設(shè)備接收機(jī)射頻前端所采用的無源混頻器開展了仿真分析與實驗研究。利用電路仿真軟件自帶的混頻器模型，建立如圖1所示干擾仿真模型，其中PULSE源用于模擬重頻超寬帶脈沖信號，而RF源用于模擬正常的通信信號，LO源為混頻器的本振信號源。為模擬某型通信設(shè)備接收機(jī)射頻前端混頻器的變頻過程，所建立的仿真模型中的RF源、LO源、混頻器作如下設(shè)定：RF源頻率范圍為40～88 MHz，LO源頻率范圍為164～212 MHz，混頻器下變頻工作，輸出124 MHz中頻信號，且有6.2 dB左右變頻損耗。

圖1 重頻超寬帶脈沖干擾混頻器模型

所采用的電路仿真軟件自帶的混頻器模型是一種理想模型，其輸出主要由RF源輸出信號和LO源輸出信號的和頻與差頻組成。當(dāng)只有頻率為60 MHz正常通信信號注入混頻器時，此時LO源信號頻率為184 MHz，混頻器輸出信號頻譜如圖2所示。此種情況下混頻器輸出同功率的差頻信號(124 MHz)與和頻信號 (244 MHz)。

圖2 通信信號注入時混頻器輸出信號頻譜

2.1 混頻器對超寬帶脈沖信號的響應(yīng)

利用仿真軟件形成如圖3(a)所示的類高斯型超寬帶脈沖信號。當(dāng)此種類型的單脈沖超寬帶信號注入混頻器時，混頻器輸出信號波形如圖3(b)所示。由圖3(b)可知，單脈沖超寬帶信號經(jīng)過混頻器后幅值變小，波形略有畸變，脈沖寬度略微變小。

圖3 單脈沖超寬帶信號注入混頻器

圖4 重頻超寬帶信號注入時混頻器輸出波形

利用仿真軟件產(chǎn)生不同重頻的超寬帶脈沖信號，并將不同重頻的超寬帶脈沖信號注入混頻器，觀察混頻器輸出。圖4給出了0.5 MHz、5 MHz、10 MHz重頻條件下超寬帶脈沖注入時混頻器的輸出波形。通過對圖4的波形形式分析，可知，當(dāng)重頻超寬帶脈沖信號注入混頻器時，混頻器輸出波形可認(rèn)為是以重頻超寬帶脈沖信號序列為抽樣函數(shù)對本振信號進(jìn)行時域采樣，其波形包絡(luò)形式因重頻的不同而不同。

2.2 重頻超寬帶脈沖信號干擾混頻器仿真

重頻超寬帶脈沖信號作為干擾信號與正常通信信號一起注入混頻器，觀察混頻器輸出。此時RF源頻率為60 MHz，LO源頻率為184 MHz。圖5給出了5 MHz重頻條件下超寬帶脈沖信號與正常的通信信號一起注入混頻器時混頻器輸出波形與頻譜。由圖5可知，重頻超寬帶脈沖作為干擾信號同射頻通信信號一起注入混頻器時，并不能干擾混頻器的正常輸出，混頻器可實現(xiàn)其變頻功能，輸出的波形頻譜中包含正常的差頻(124 MHz)和和頻信號(244 MHz)。

圖5 重頻超寬帶脈沖信號與通信信號同時注入混頻器

變頻損耗為衡量混頻器工作性能的重要指標(biāo)，其表征混頻器輸出端幅度特征與輸入端的關(guān)系，因此，為分析重頻超寬帶脈沖信號對混頻器工作性能的影響，仿真給出了變頻損耗與重頻超寬帶脈沖信號參數(shù)的變化關(guān)系，即在正常通信信號參數(shù)不變(頻率、幅值等)的情況下，變頻損耗隨超寬帶脈沖信號的幅值、重頻、脈寬的變化關(guān)系。調(diào)節(jié)PULSE源參數(shù)設(shè)置，仿真給出了混頻器變頻損耗跟超寬帶脈沖信號的幅值、重頻及脈寬的變化關(guān)系曲線，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)重頻超寬帶脈沖信號參數(shù)發(fā)生變化時，混頻器變頻損耗在一個較小的范圍內(nèi)變化(約0.2 dB)，綜合考慮仿真過程中的計算誤差和讀數(shù)誤差，可認(rèn)為混頻器的變頻損耗受重頻超寬帶脈沖信號的影響較小。

圖6 變頻損耗隨超寬帶脈沖信號參數(shù)變化仿真曲線

通過以上的仿真分析可得到初步結(jié)論，重頻超寬帶脈沖并不能對混頻器的正常工作產(chǎn)生較大影響，重頻超寬帶脈沖作為干擾信號隨正常通信信號一同注入混頻器時，混頻器性能并不受影響，仍能輸出正常的信號，但由于重頻超寬帶脈沖通過混頻器后仍然包含豐富的頻譜分量，其中即包含混頻器正常輸出的頻率成分，則重頻超寬帶脈沖信號仍有可能影響混頻器后端電路的工作。

3 實驗研究

為驗證仿真分析結(jié)果，建立圖7所示的實驗系統(tǒng)。采用安捷倫公司的脈沖源81130A來產(chǎn)生重頻超寬帶脈沖信號，兩臺安捷倫公司的信號源8257D來產(chǎn)生射頻通信信號與本振信號。

圖7 實驗系統(tǒng)

實驗所用混頻器為某型通信設(shè)備接收機(jī)所采用的ADE-1MH型混頻器，此型號混頻器為無源混頻器，工作帶寬為DC-500 MHz，實驗標(biāo)定了其下變頻輸出124 MHz中頻信號時的變頻損耗，如表1所示。由表1可知，ADE-1MH型混頻器的變頻損耗受本振信號的功率影響較大。在輸入正常通信信號頻率和功率不變的情況下，本振信號功率越小，變頻損耗越大。

表1 ADE-1MH型混頻器變頻損耗測試

在以下的實驗研究中，固定兩臺信號源8257D的設(shè)置，設(shè)置如下：產(chǎn)生射頻通信信號的信號源頻率設(shè)置為60 MHz，輸出功率設(shè)置為-7 dBm，經(jīng)功分器與重頻超寬帶脈沖信號合路后，其功率應(yīng)為-10 dBm；產(chǎn)生本振信號的信號源頻率設(shè)置為184 MHz，輸出功率為13 dBm。此種條件下，對應(yīng)的混頻器變頻損耗約為6.2 dB。

3.1 混頻器對超寬帶脈沖信號的響應(yīng)實驗

實驗測量了只有超寬帶脈沖信號注入混頻器時混頻器輸出波形。對于單脈沖超寬帶脈沖信號，混頻器輸出波形較原始波形稍有畸變，幅值變小。對于重頻超寬帶脈沖信號，對比圖8與圖3，實驗測量得到的波形形式基本與仿真分析得到波形一致。

圖8 單脈沖超寬帶信號注入后混頻器輸出實測波形

圖9給出了不同重頻條件下超寬帶脈沖信號注入后混頻器輸出實測波形。對比圖9和圖4可知，仿真得到的波形與實測波形基本一致。

圖9 不同重頻超寬帶脈沖信號注入后混頻器輸出實測波形

3.2 重頻超寬帶脈沖信號對混頻器的干擾實驗

重頻超寬帶脈沖信號作為干擾信號與正常通信信號一起注入混頻器，圖10給出了重頻為5 MHz的超寬帶脈沖信號與正常通信信號一起注入混頻器后波形和頻譜，此時RF源頻率為60 MHz，LO源頻率為184 MHz。

比較圖5與圖10，實驗測量波形與仿真得到波形基本一致。由于實驗所用混頻器的非線性，其輸出波形頻譜中除了差頻信號和和頻信號外，還包含了一些幅度較高的諧波分量，而仿真所用的混頻器為理想模型，混頻器的非線性特征沒有得到表征。

圖10 重頻超寬帶脈沖信號與通信信號同時注入混頻器實測波形

實驗測量給出了混頻器變頻損耗隨超寬帶脈沖信號參數(shù)變化曲線。由圖11可知，隨著重頻超寬帶脈沖信號的注入，混頻器變頻損耗略有改變，其變化范圍小于1 dB。因超寬帶脈沖信號注入后混頻器輸出波形為包絡(luò)形式，考慮此種實驗?zāi)Ｊ较麓嬖诘淖x數(shù)誤差，可認(rèn)為變頻損耗受重頻超寬帶脈沖信號影響較小。

圖11 變頻損耗隨超寬帶脈沖信號參數(shù)變化實測曲線

4 擴(kuò)展性分析

由仿真分析結(jié)果和實驗結(jié)果可知，重頻超寬帶脈沖信號并不影響單一混頻器的正常工作，其作為干擾信號可正常通過混頻器，且通過混頻器后仍包含豐富的頻率成分。

另外，混頻器一般同濾波器一起組成混頻濾波電路，并且當(dāng)前的通信設(shè)備接收機(jī)多采用超外差結(jié)構(gòu)，一般包含多級混頻濾波電路來降低混頻濾波后的中頻信號頻率以方便后續(xù)電路的處理。綜合考慮多級混頻濾波電路，針對某型通信設(shè)備的接收機(jī)射頻前端兩級混頻濾波電路進(jìn)行了重頻超寬帶脈沖響應(yīng)初步實驗研究，混頻濾波電路結(jié)構(gòu)形式如圖12所示。

圖12 混頻濾波電路結(jié)構(gòu)示意圖

在圖12所示的電路結(jié)構(gòu)中，40～88 MHz頻率范圍內(nèi)的通信信號經(jīng)一級混頻濾波電路后變?yōu)?24 MHz的中頻信號，其經(jīng)過二級混頻濾波電路后變?yōu)轭l率為384 kHz的中頻信號。將不同參數(shù)條件下的重頻超寬帶脈沖信號注入混頻濾波電路，觀察混頻濾波電路的輸出。

圖13 混頻濾波電路輸出波形與頻譜

文獻(xiàn)[8]指出重頻超寬帶脈沖的頻譜呈離散譜線分布，譜線間隔為重復(fù)頻率，且脈沖的功率主要集中在重頻整數(shù)倍處的離散譜線上。因此，混頻濾波電路對重頻超寬帶脈沖的響應(yīng)依賴于圖12所示的40～88 MHz帶通濾波器。若超寬帶脈沖的主頻能夠覆蓋這一頻帶(40～88 MHz)，且重頻整數(shù)倍處的離散譜線能夠落入這一頻帶，則混頻濾波電路可輸出頻率為384 kHz的信號。圖13與表2給出了圖12所示的兩級混頻濾波電路對重頻超寬帶脈沖的響應(yīng)特性。在一定的參數(shù)條件下，重頻超寬帶脈沖經(jīng)過混頻濾波電路后可變?yōu)檫B續(xù)波信號，頻率同通信信號經(jīng)過混頻濾波電路后輸出的中頻信號頻率相同。因此，重頻超寬帶脈沖對混頻濾波電路的干擾以及之后電路的干擾類似定頻連續(xù)波信號干擾。

表2 兩級混頻濾波電路響應(yīng)特性

5 結(jié)論

通過仿真分析與實驗研究，針對超寬帶脈沖信號干擾混頻器，可得如下結(jié)論：

1)對于單脈沖超寬帶信號，混頻器輸出同波形形式的信號，幅值減小，波形會產(chǎn)生一定程度的畸變。對重頻超寬帶脈沖信號，混頻器輸出波形可認(rèn)為以重頻超寬帶脈沖信號序列為抽樣函數(shù)對本振信號進(jìn)行時域采樣，其波形包絡(luò)形式因重頻的不同而不同。

2)作為干擾信號，重頻超寬帶脈沖信號并不能影響混頻器正常工作。當(dāng)重頻超寬帶脈沖信號與射頻通信信號一起注入混頻器時，混頻器可實現(xiàn)其正常變頻功能，其輸出中頻信號雖有所變化，但因其變化范圍不大，作為衡量混頻器工作性能的重要指標(biāo)-變頻損耗認(rèn)為基本不變。

3)重頻超寬帶脈沖經(jīng)過混頻濾波電路后變?yōu)橥蓄l信號同頻的連續(xù)波信號，對混頻濾波電路的干擾以及之后電路的干擾類似定頻連續(xù)波信號干擾。