高码速率微波锁相调频遥测发射机

一、引　　言

　　目前，再入遥测系统正朝着更高传输速率的方向发展，即所要传输的数据容量和参数种类在急剧增加，要求PCM信号的码速率已增加到2 Mbit/s或更高。在国际遥测频段，要实现2 Mbit/s PCM信号的调频，构成调频遥测发射机的技术方案有2种。一种方案是在晶体振荡器上进行调频，然后再通过倍频、滤波和放大链路来达到所需的工作频率、功率和调制特性。该方案使用经典电路，容易实现高码速率信号的宽带调频，但其电路结构复杂，调试难度大，杂波抑制比和工作稳定性也不十分理想。另一种方案是在微波频段进行锁相调频，也就是在锁相振荡器中采用两点注入式调频方式实现2 Mbit/s再入遥测信号的宽带调频，然后将其输出的已调微波信号通过MMIC微波功率放大器放大到所要求的输出功率电平。它克服了第一种方案的缺点，可达到较好的技术性能，是工程应用中比较好的技术方案。两点注入式调频也有2种实现方式，即完全两点注入式调频方式和准两点注入式调频方式。前一种方式是将PCM信号分成两路，一路注入到S波段压控振荡器，另一路注入到晶振参考源。在晶振进行宽带调频，将与频率稳定度之间有一定的矛盾，具体实现有较大技术难度，而后一种方式却不存在这一问题。本文研究的调频遥测发射机将选用准两点注入式调频方式。

　　二、准两点注入式锁相调频遥测发射机的构成

　　准两点注入式微波锁相调频遥测发射机的框图如图1所示，它由锁相调频源和功率放大器组成。其中，锁相调频源是由压控振荡器、分频器链路、晶振参考源、鉴相器、环路滤波器、输入调整电路、积分器和输出微带隔离器构成。

　　在该调频遥测发射机中，输入的PCM信号经过调整电路后被分成两路，一路直接注入到S波段压控振荡器输入端，使压控振荡器的输出频率随着调制信号线性变化，实现直接调频;另一路经过一个积分器注入到环路滤波器输入端口后，再对压控振荡器进行调相来实现间接调频。该调频方式就称为准两点注入式微波分频锁相调频。

　　三、准两点注入式调频特性的分析

　　图2为准两点注入式锁相调频电路的相位模型。图中，为简化分析，输入调整电路未考虑进去，但不影响分析结果。Kv(rad/sV)是压控振荡器的压控灵敏度，N为分频器链路的分频比，Kd(V/rad)是鉴相器的鉴相灵敏度，Km(1/s)为积分器的积分时间常数，F(S)是环路滤波器的传递函数，UΩ(S)为输入PCM信号。

　　由相位模型可得：

　　为使调频特性分析简便，设θi(s)=0，解方程组(1)得出UΩ(s)引起的环路总输出相位变化：

　　环路的误差传递函数为

　　所以，产生的调制频偏为

　　式(4)表明，在准两点注入式调频中，合理设计积分器，选择其积分常数Km满足下列条件：

　　其调频特性将为一平坦的直线Kv，即可得到与环路响应无关的宽带调制特性。这一技术特性正好满足高码速率再入遥测信号的调频要求。

　　四、主要电路的设计

　　1.VCO调频电路

　　为适应2 Mbit/s PCM信号传输和宽带调制的要求，采用的压控振荡器的调频电路应具有调制线性范围宽、调制频偏大的特性。据此，选用双变容二极管部分电容接入回路形式的调频电路，如图3所示。

　　图中，电感L为一段四分之一波长、特性阻抗为100Ω的高阻抗微带线，它将V1的正极直流接地。V1和V2为相同型号的变容二极管，V3为压控振荡器的振荡管。

　　要使2 Mbit/s PCM再入遥测信号能在调频电路中产生调制响应，并有较大的调制频偏，其技术关键在于变容二极管的选取。对于变容二极管，它的结电容Cj和所加的电压信号VR之间有如下关系：

　　式中　φ为变容二极管内建电位差(对于GaAs管，φ=1.3 V); C′0是VR=0时的结电容，为一常数;γ是电容-电压斜率指数。

　　选择变容二极管时，电容-电压斜率指数γ是我们应考虑的重要因素。因为，γ≈1的变容二极管仅适用于窄带调制，而1.2<γ<1.4的变容二极管是宽带调制的最佳选择。例如，选取美国MACOM公司生产的GaAs超突变结变容二极管MA46482，其γ值为1.25。

　　2.环路滤波器和积分器电路

　　环路滤波器和积分器电路如图4所示。其中，环路滤波器采用有源比例积分低通滤波器，由运算放大器CA3140E和R1、R2、C组成。积分器由另一个CA3140E和R0、C0构成，为有源积分器。

　　环路滤波器中R1、R2、C的值由环路自然谐振角频率ωn和阻尼系数ξ这两个参数决定，其计算公式为

　　在设计中，选取ωn=2π×100 rad/s，ξ=0.707，Kv=2π×8×106 rad/sV，Kd=0.12 V/rad，N=320，C=0.1μF，经过计算得到R1=477.4 kΩ，R2=22.5 kΩ。实际取R1=470 kΩ，R2=22 kΩ。

　　对于有源积分器，它的积分时间常数计算式为

　　式中，A为运算放大器的电压放大倍数。已知CA3140E的A=2×104，由式(5)可计算出Km=18.85。若选取R0=2 MΩ，则由式(8)得

　　另外，为确保有源积分器能正常工作，其运算放大器的3脚应接上一个20 kΩ的电阻。

　　3.分频器链路

　　锁相环路中的分频器链路是使用“÷4分频器”IFD-53110和“÷80分频器”SE114来组成，如图5所示。IFD-53110是MMIC微波高速分频器，属于微波和ECL电路，最高工作频率达3 500 MHz。

　　SE114也属于MMIC微波高速分频器，最高工作频率达1 000 MHz，其输入电路为ECL逻辑，输出电路为标准TTL逻辑接口，最低输出电平0.5 V，最高输出电平2 V。

　　4.MMIC微波功率放大器模块

　　调频遥测发射机中的微波功率放大器采用由硅三极管管芯构成的MMIC功放模块，如图6所示。它由激励级、功率放大级和直流供电电路组成，其外形尺寸仅有30 mm×28 mm×10 mm，输入和输出均为微带形式。该模块的输出功率大于5 W，功率增益21 dB，工作电流小于1 A。

　　五、实验研究结果

　　本调频遥测发射机中压控振荡器的振荡管选用AT-42070晶体管，鉴相器是MC4344集成块，晶振参考源选用温补晶振ZWB-18B。将微波高速前置分频器和压控振荡器电路制作在40 mm×30 mm的微带片子上，锁相环路和其它电路一起制作在76mm×70 mm的印制板上，整个发射机体积为158 mm×85 mm×35 mm。经过精心调试和反复实验后，调频遥测发射机达到了以下主要技术指标：

　　(1)工作频率：S频段;

　　(2)输出功率大于7 W;

　　(3)频率稳定度达到±1×10-5;

　　(4)输入2.048 Mbit/s PCM信号，调制频偏±700kHz;

　　(5)杂波抑制比达55 dBc;

　　(6)工作电压+27 V，电流小于1.3 A。

　　对于上述调制频偏一项指标，目前用频偏仪还无法测量这么大的频偏，只能使用频谱仪进行间接测量。按照调频理论，对于单一频率的PCM输入信号，当调制指数为mf时，调频波的第一对边频分量与主频分量的电平差：

　　式中，J0(mf)、J1(mf)是零阶和一阶第一类贝塞尔函数。就2 Mbit/s调频系统来说，PCM调制信号的最高频率fm为1 MHz，按国际遥测标准要求，其调制频偏应为±700 kHz，相应的调制指数mf=0.7，由(9)式可计算出δA=-8.56 dB。因此，如果在频谱仪上测得第一对边频分量与主频分量的电平差值达到-8.5 dB左右，即可确认为该调频波的调制频偏达到了±700 kHz。

　　六、结束语

　　采用准两点注入式调频方案的微波锁相调频遥测发射机，当积分器的参数设计适当时，调制特性与环路参数无关，使环路参数的设计范围增大，有利于提高发射机工作状态的稳定性。准两点注入式微波锁相调频具有平坦的宽带调制特性，该技术适用于2 Mbit/s再入遥测系统中调频遥测发射机的研制。在电路实施方案中，大量使用了MMIC集成器件，使调频遥测发射机的体积得到了小型化。文中的分析结果和给出的主要电路，对未来有关的工程研制有较大的技术参考价值。