一种高码速率的微波锁相调频源

摘 要：介绍了准两点注入式调频技术，以及相关电路设计和实验结果。理论分析和实践表明，准两点注入式锁相调频源具有平坦的宽带调制特性，能满足高码速率测控通信发射设备的实际要求。

关键词： 测控通信 锁相 调频源 PCM体制

随着二十一世纪的来临，测控通信系统将朝着更高传输速率的方向发展，即所要传输的战术飞行试验数据容量和参数种类随着武器系统的发展而剧增，将要求PCM信号的码速率由目前的几百kb/s增加到2Mb/s或更高。在国际测控通信频段（S波段），要实现2Mb/s PCM信号的调频，构成调频源的技术方案有两种。一种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，来实现2Mb/s遥测信号的宽带调频。它克服了第一种方案的缺点，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两种实现方式，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（VCO），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。因此，本文研究的调频源将选用准两点注入式调频方式。

１ 准两点注入式锁相调频源构成和调频

特性分析

将PCM信号分成两路，一路直接注入到S波段VCO输入端，使VCO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VCO进行调相来实现间接调频。该调频方式称为准两点注入式锁相调频。准两点注入式锁相调频源构成框图如图１所示。图中，PD为鉴相器；LF为环路滤波器；N为环路中分频器链路总的分频比；晶振为锁相环路的参考源。

图2为准两点注入式锁相调频源的相位模型。图中，为简化分析，未将预调电路考虑进去，但不影响分析结果。 lang="EN-US" style="font-size:10.5pt;mso-bidi-font-size: 10.0pt;font-family:"Times New Roman";mso-fareast-font-family:宋体;mso-font-kerning: 1.0pt;mso-ansi-language:EN-US;mso-fareast-language:ZH-CN;mso-bidi-language: AR-SA">   是VCO的压控灵敏度；  (V/rad)是鉴相器的鉴相灵敏度；  (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；  （S）为PCM信号。

由相位模型可得

??

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

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信号的调频要求。

２ 主要电路的设计

2.1 VCO调频电路

按照国标标准，对于PCM／FM测控通信系统，要确保系统的误码概率最小，其最佳调制频偏应选择为

 为适应2Mb/s PCM信号传输和宽带调制的要求，采用的VCO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VCO振荡管。

要使2Mb/s PCM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与所加的电压信号ＶＲ之间有如下关系：

式中，?为变容二极管内建电位差（对于GaAS管，φ=1.3V）；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，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。

2.2 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  、  、C组成。积分器由另一个CA3140Ｅ和  构成，为有源积分器。

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

?

在设计中，选取ωn=2π×100rad/s,ξ=0.707,kV=2π×8×106rad/sV,kD=20.12V/rad,n=320,c=0.1μF，经过计算得到R1=477.4kΩ,R2=22.5kΩ。实际取R1=470kΩ,R2=22kΩ。

对于有源积分器，它的积分时间常数计算式为?

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20kΩ的电阻。

 2.3 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是微波高速分频器，属于微波和ECL电路，最高工作频率达3500MHz，微带封装结构，体积比较小。SE114为ECL和TTL集成电路，最高工作频率可达1000MHz。

该分频器链路的输入信号为经微带耦合输入的VCO信号，四分频器和八十分频器之间是通过一个阻容耦合网络连接，链路输出信号，即经320次分频后的VCO信号送到鉴相器输入端口。

３ 实验研究结果

本调频源的振荡管选用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。将微波高速分频器和FM／VCO电路制作在40×30  的微带片子上，锁相环路和其它电路一起制作在76×79  的印制板上，整个调频源体积为115×85×35  。经过精心调试和反复实验后，调频源达到了以下主要技术指标：

·工作频率：S频段；

·输出功率大于100mW；

·频率稳定度达到  ；

·输入2.048Mb/s PCM信号，调制频偏±700kHz；

·杂波抑制比高达62dBc；

·工作电压＋27V，电流0.25A。

总之，准两点注入式锁相调频源，具有平坦的宽带调制特性。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，有利于提高调频源锁定状态的稳定性，该调频源适用于2Mb/s测控通信系统调频发射设备的研制。文中的分析结果和给出的主要电路，在技术上有较大的参考价值。