高码速率微波锁相调频遥测发射机

2013-11-24 12:56:53来源: 互联网

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。

关键字:高码速率  微波  锁相调频  发射机

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1124/article_21099.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
高码速率
微波
锁相调频
发射机

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved