单脉冲跟踪接收机的设计

摘要：随着微电子技术和计算机技术的进步，电子线路的集成化已经成为中高频电路发展的一个重要方向，根据工程需要，采用进口集成芯片AD6459、MAX2605、AD633等设计了70 MHz基于锁相环的单脉冲跟踪接收机，相比原来的接收机，集成度高，硬件电路大大简化，成本低，调试方便，现已应用于某卫星通信地球站天线跟踪系统，大量的动态性能实验表明接收机参数稳定，同时使跟踪系统的可靠性也得到较大的提高。
关键词：集成化；AD6459；锁相环；自动增量控制；单脉冲

    随着电子技术的发展，接收机硬件系统越来越向着成本低、体积小、重量轻、耗电省、可靠性高的方向发展。
AD6459是AD公司研制的中频接收系统的芯片，该芯片集成有宽带混频器、增益可控中频放大器、参考锁相环、正交混频器等单元电路。应用AD6459和外加集成VCO、四象限乘法器等单元电路组成的70 MHz全集成中频锁相接收机主板相对原来的中频接收机，在整机硬件结构和性能上取得很大改进，大量地缺省了由整部件组装时的电缆连接，减小了设备的体积、重量、功耗以及成本，进一步提高了接收机的可靠性、可维修性以及参数调整的方便性。

1 锁相接收机的设计方案
1．1 跟踪接收系统原理简介
    跟踪接收系统是某卫星通信地球站的一个组成部分。它接收来自天线的信标信号(和信号)和角度误差信号(差信号)，经调制、放大、变频、解调后向伺服分系统提供所需的角误差电压，控制天线的俯仰轴和方位轴向角误差减小的方向转动，实现对卫星目标的自跟踪。
    集成化中频锁相接收机主板是跟踪接收系统的核心部分，主板包括以下几个单元电路：中频接收模块(AD6459)、集成VCO和数字式变速扫描电路、误差解调电路和时钟发生电路等。其原理框图如图1所示。

    接收机主板所完成的功能是：将70 MHz信号混频并锁相得到频率稳定的10．7 MHz检波中频；通过自动增益控制使检前信号幅度保持恒定；经下变频得到的10．7 MHz信号和参考晶振信号经正交检波，得到的角误差信号包络送入误差解调电路与本机产生的6．2 kHz时钟信号进行同步检波，得到方位和俯仰两轴角误差电压。
1．2 主要芯片介绍
    简单地说，AD6459芯片是一个中频接收系统。主要组成部分有：增益可控的UHF混频器、本振放大器、线性增益可控中频放大器和I／O混频器(鉴相器)、正交振荡器和自动增益控制电路。在集成化中频锁相跟踪接收机中主要实现两个功能，一是组成锁相环电路，即将中频信号混频并锁相得到频率稳定的10．7 MHz检波中频；二是组成自动增益控制电路，即通过自动增益控制使检前信号幅度保持恒定。AD6459功能框图如图2所示。

    AD6459的性能参数如下：
    工作频率：DC——500 MHz；最大增益：80 dB
    可控增益范围：76 dB； 电源：2．7～5．5 V
    温度范围：-40～+85℃；20只管脚SMD封装(窄)
1．3 中频锁相环
    锁相环电路原理框图如图3所示。

    由集成芯片MAX2605组成59．3 MHz压控振荡器(VCO)，该单元电路为窄体封装SMD集成VCO，需外接一个电感、一个变容二极管和必要的偏置电容，电路可产生振荡。
    70 MHz信号和VCO输出的本振信号在UHF混频器中混频，得到两路差分的10．7MHz中频信号，当VCO的频率在59．3MHz±150kHz扫描时，该中频信号频率和相位也随之变化。混频输出的一路经过一个窄带滤波器送入AD6459的中频输入端子，经增益可控放大器后在I／O混频器中与10．7 MHz晶振输出的参考信号的相位进行比较。正交鉴相器输出的正交支路经环路滤波器与扫描电路产生的锯齿波相加，然后送到VCO电路的控制端，来控制VCO的变容管，从而控制振荡频率，使混频输出中频信号与参考晶振同频同相，环路处于锁定状态。正交鉴相器输出的同相支路经比较器电路用作失锁检测或锁定指示，并用来控制扫描的启动、停止。
    环路滤波器采用有源比例积分滤波器。它具有低通特性和比例作用，相频特性也有超前校正。
    因为环路滤波器的带宽较窄，相应地环路快捕带也较窄，对于中心频率变化范围较大的输入信号，单靠环路自身捕捉是很困难的。设计采用变速扫描辅助捕捉电路以加快环路的捕捉速度。扫描电路设计成数字自适应变速扫描方式，扫描波形为三角波。I／Q混频器正交支路输出的相位误差电压经环路滤波器后和扫描波相加，来控制VCO的变容管。当环路失锁时，鉴相器输出差拍信号，失锁监测电路监测到该信号后触发扫描波发生器去控制VCO。差拍频率越高，扫描速度越快；一旦输出中频频率靠近参考信号频率，扫描速度自动变慢并在环路镇定后停扫，环路完成捕获。
1．4 自动增益控制电路
    在通信、导航、遥测遥控等无线系统中，由于受发射功率大小、收发距离远近、无线电波传播衰落等各种因素的影响，接收机所接收的信号强弱变化范围很大，信号强度的变化可能相差几十分贝，如果电路增益不变，则信号太强时会造成接收机的饱和或阻塞，甚至使接收机损坏，而信号太弱时又可能被丢失。因此，在接收微弱信号时，希望接收机有很高的增益，而在接收强信号时，接收机的增益应该减小一些。这种要求靠人工增益控制来实现是困难的，必须采用自动增益控制电路，使接收机的增益随输入信号强弱而自动变化。
    用自动增益控制电路对系统的增益进行控制，可使I／Q混频器前的中频信号幅度保持恒定，以完成单通道单脉冲跟踪信号幅度归一化。

    芯片AD6459集成了增益控制中频放大器，可提供高达76 dB的增益控制范围，电路的总增益(用dB表示)与该控制端的电压呈线性关系。增益控制输入端"CAIN"(13引脚)接收来自AGC检波器或者数模转换器的控制电压，其电压范围要求在0．2～2．25 V之间。该端电压为0．2V时，系统增益最大；电压为2．25 V，系统增益最小。增益控制的斜率受控于“GREF”端电压，可通过调整该端电压来调整增益控制斜率，该端电压为1．2V时，斜率为27mV／dB。
    在UHF混频器的另一输出端接一个宽带中频滤波器和AGC电压检波器(本设计中用的是AD606，是一个对数放大器)，将检波输出的电压与I／Q混频器同相支路输出的直流电压比例相加后送入到自动增益控制端。当输入信号增大时，检波出来的电压必然增大，加在增益控制端的电压增大，中放和混频器的增益减小，这样就可以使输出电压保持恒定。

2 工程实现
    锁相接收机主板是该工程跟踪接收系统的核心部分，集成化电路结构由一块300mmx140mm印制板实现。由AD6459芯片组成中频接收模块。由MAX2605组成59．3 MHz压控振荡器(VCO)，该单元电路为窄体封装SMD集成VCO，需外接一个电感、一个变容二极管和必要的偏置电容，电路就可产生振荡，调试极为方便。10．7 MHz参考采用QEN92型集成晶体振荡器。波形为CMOS电平。误差解调器采用集成电路AD633四象限模拟乘法器，SMD封装，体积小，调整方便。

3 性能测试结果
    对接收机整机实测的结果表明，锁相环的捕获时间小于0．5 s、输入信号动态范围大于30 dB、自动增益控制精度和线性均达到或优于预先设计的指标要求，图5为接收机主板信号输入电平和自动增益控制电压曲线。

    注：坐标横轴为70 MHz信号输入电平。
    V01为对数放大器检波输出电压，随输入信号的增大线性的增大；Vagc为AD6459增益控制端的输入电压，随输入信号的增大线性的增大；V02为I／Q混频器输出的直流电压，在增益控制的范围内，该电压基本保持不变。

4 结束语
    该集成化中频锁相接收机已应用于某卫通地球站天线跟踪系统，大量的动态性能实验表明接收机参数稳定，同时使跟踪系统的可靠性也得到较大的提高。