射頻制導半實物仿真專用毫米波變頻組件設計?

張興利，馬逸超，吳自祿（1.航空制導武器航空科技重點實驗室，河南洛陽471009；2.中國空空導彈研究院，河南洛陽471009）

射頻制導半實物仿真專用毫米波變頻組件設計?

張興利1，2，馬逸超1，2，吳自祿1，2
（1.航空制導武器航空科技重點實驗室，河南洛陽471009；2.中國空空導彈研究院，河南洛陽471009）

為了擴展射頻制導半實物仿真系統的工作頻帶，設計了一種半實物仿真專用變頻組件，采用具有公共參考源的二次變頻方案。關鍵器件包括微波鎖相倍頻源、微波基波和諧波混頻器、毫米波放大器。經測試，該組件幅度和相位的穩定性高，動態范圍大，頻譜特性好，能滿足仿真應用需求。關鍵詞：導彈制導系統；半實物仿真；毫米波；變頻組件

1 引言

射頻制導半實物仿真系統能夠模擬導彈在空中飛行過程中的姿態、位置變化，實現目標回波信號的距離延遲、幅度和多普勒頻率以及角位置關系等特征的復現［1］，用于評估導彈在攻擊目標過程中制導系統的性能及其抗干擾能力。隨著導彈系統復雜度日益提高，半實物仿真在導彈研制過程中發揮的作用也更加重要，其在導彈制導系統性能評估、系統參數調試與驗證、飛行試驗結果預測與故障復現等方面有著不可替代的作用。

毫米波導引頭在導彈制導方面得到了廣泛應用，并顯示出很強的發展勢頭［2］。鑒于半實物仿真技術在導彈研制中發揮著不可替代的作用，因此開展毫米波制導半實物仿真技術研究意義重大。但是新建毫米波目標仿真設備經費投入巨大，建設周期也較長。如果在現有仿真系統的基礎上改造，使之可以適應多種型號、多個頻段的導彈仿真需求，不但最大限度地利用了現有仿真系統，而且節約了大量時間和經費，意義重大。為此，開展仿真專用毫米波變頻組件設計和研制具有很強的實用價值。

由于半實物仿真系統中陣列式射頻目標模擬器對信號的幅相穩定性要求較高，且仿真過程中幅度動態范圍較大，因此仿真專用毫米波變頻組件的特點是要在進行毫米波和微波頻段上下變頻的同時保持各通道信號的相參性、幅相穩定性以及大的動態范圍。

2 變頻組件設計

2.1 系統組成

毫米波上下變頻組件與現有的微波頻段仿真設備構成一套變頻式毫米波目標模擬系統，由下變頻組件將導引頭產生的毫米波信號變頻至微波頻段，然后利用現有的微波頻段半實物仿真設備（包括信號源、饋電、開關等）對其進行處理，處理后輸出至上變頻組件，上變頻至毫米波頻段，輸出至天線，完成毫米波仿真信號處理過程的原理試驗。采用變頻組件的目標模擬系統如圖1所示。

上變頻和下變頻的工作原理基本相同，都是利用非線性元件的頻率變換作用，只是兩者工作過程剛好相反，因此本文重點論述上變頻器。

2.2 方案設計與選擇

仿真專用毫米波變頻組件的任務是將原微波頻段目標模擬器處理后的微波頻段信號擴展到毫米波頻段，同時保持各通道信號的相參性。上變頻方式有直接倍頻、一次變頻和二次變頻方案等設計思路。

在直接倍頻方案中，由于倍頻器輸出的信號功率很難滿足動態范圍要求，所以要用毫米波放大器對毫米波信號功率進行補償。為了實現高的動態，勢必造成系統組成復雜，實現困難，因此放棄直接倍頻方案。

在一次變頻方案中，從微波頻段直接變頻至毫米波頻段，可以采用低本振和高本振兩種變頻方式。但由于采用高本振方式不但難度非常大，而且目前國內不具備該頻段器件的生產和測試能力，所以只有低本振方案有一定合理性。但是低本振方案存在著中頻過高的問題，中頻信號與本振頻率非常接近，LO／IF隔離度無法保證，同時三階交調非常嚴重，可見該系統方案不可行。

因此綜合考慮動態范圍、高中頻上變頻、各通道相參性等因素，最終決定采用使用公共參考源的二次變頻方案。

該方案中先將微波頻段信號混頻至S頻段，濾波放大后，經過毫米波諧波混頻器將其上變頻到毫米波頻段，這樣可以解決中頻過高的問題。采用混頻方案可以克服倍頻方案中動態范圍不夠的問題，原理簡單，而且各部件的設計方法比較成熟，系統組建較為簡單，可以實現對原系統的透明擴展。圖2所示為二次變頻方案示意圖。

2.3 關鍵技術

根據上述選擇的二次變頻設計方案，關鍵技術和器件包括微波鎖相倍頻源（PLDRO）、微波基波和諧波混頻器、毫米波放大器。

2.3.1 微波鎖相倍頻源

本設計中要求變頻過程中要有較低的相位噪聲，所以采用高品質恒溫晶體振蕩器為各微波信號源提供參考，保證其近端相位噪聲，同時采用DRO

（介質振蕩器）作為鎖相源的壓控振蕩器，利用其優良的遠端相位噪聲，并且采用比較成熟的性能較好的鎖相環芯片，適當選取環路帶寬和鑒相速度，實現相位噪聲性能優良的微波鎖相源。

DRO是介質諧振振蕩器（Dielectric Resonator Voltage Controlled Oscillator，DRVCO）的簡稱，其原理是利用微波介質諧振器作為高Q腔，對FET振蕩器進行穩頻的振蕩器。DRO原理如圖3所示。

雖然DRO有相位噪聲的優勢，但是單獨的DRVCO頻穩度只能達到10-5～10-6，所以必須采用鎖相環對其進行穩頻，即采用鎖相環的DRO（PLDRO）。每個變頻模塊需要兩個PLDRO（鎖相介質振蕩器），其原理相同。

鎖相穩頻的方法主要包括分頻鎖相和取樣鎖相兩種，本系統采用分頻鎖相實現。

2.3.2 微波混頻器

本組件中包括微波基波混頻器和毫米波諧波混頻器，為保證系統的可靠性和一致性，采用雙平衡混頻器。雙平衡混頻器原理圖及其輸出等效電路［4］如圖4所示。

雙平衡混頻器有很高的端口隔離度，平衡度很好，工作頻帶寬，比單平衡混頻器有更好的線性度［5］。雙平衡混頻器的輸出電流頻譜含量與單平衡混頻器相比少很多。此外，雙平衡混頻器的動態范圍比單平衡混頻器的大3 dB，比單端混頻器大6 dB。雙平衡混頻器輸出端的噪聲能抵消本振引入噪聲所產生的中頻噪聲。

2.3.3 毫米波放大器

由于毫米波諧波混頻器變頻損耗較大，而受到混頻器件飽和點的限制，無法在混頻前對信號進行補償，所以只能在二次變頻后進行功率損失補償。通過對各種設計方案優缺點比較，并結合目前的技術，最終采用HEMT MMIC低噪聲放大器件，其性能能滿足系統的設計要求。由于毫米波放大器的實現難度較大，采用分立元件管芯實現沒有可靠的工藝保障，所以采用較為可靠的MMIC電路來實現。

2.4 對變頻模塊的參考源穩定度的考慮

系統將微波信號混頻至S頻段，濾波放大后，經過毫米波諧波混頻器將其上變頻到毫米波頻段。為了保證參考源功率分配后的各路信號的相位關系，最好使參考源傳播的電長度盡量一致。設參考源的短期頻率穩定度指標為ε，參考源激勵的系統中頻率最高毫米波源頻率為fh，則由參考源的指標可以計算出此時的毫米波源單位時間頻率波動，如公式（1）所示：

式中，Δf為參考源的波動使毫米波源在單位時間內產生的頻率波動，fmmw為毫米波源的輸出頻率，ε為參考源的短期頻率穩定度。

系統要求各支路產生的相位關系波動Δφ不超過±5°，所以必須建立相位波動關系才能滿足相位波動要求。相位波動關系公式為

式中，Δf為參考源的波動使毫米波源在單位時間內產生的頻率波動，Δτ為不同支路參考源的電長度差造成的時間延遲差。

計算結果要求滿足公式（3）：

當Δτ=100 ns，也就是不同支路參考源傳輸距離差為30 m時，參考源的頻穩度要好于10-13／100 ns數量級。如果Δτ=1 s，則需要10-13／s數量級的參考源。

變頻組件的主要問題來自于毫米波源的近端相位噪聲。由于系統中存在放大、倍頻、混頻等環節，使得最終毫米波信號相位將會比參考源有一定的惡化，對應頻率為fh的毫米波源，由載波和閃爍噪聲為主要因素的近端相位噪聲對系統的各支路相位影響很大，所以要采用近端（Hz級）相位噪聲指標非常好的基準源作為參考。其相位噪聲指標要求絕大部分相位噪聲功率集中在距離載波1／36 Hz之內，則10 MHz參考源要求達到-150 dBc／Hz＠1kHz以上。本設計中采用高穩定度的兩個PLDRO（兩個本振源共用一個高穩定度的10 MHz參考源，相位噪聲為-155 dBc／Hz＠1kHz）分別產生的本振信號經功分后供給上下變頻器，這樣兩個本振源的相位相參，下變頻器與上變頻器的相位也相參，更好地解決了相位穩定的問題。

3 測試結果

設計完畢后，對變頻組件進行了測試。經測試，上下變頻組件能達到的技術指標為：動態范圍90 dB，幅度穩定度小于±0.3 dB／4 h，相位穩定度小于±5°／4 h。

而采用變頻方式構建的毫米波目標模擬系統目標位置合成精度較高，測試結果驗證了仿真專用毫米波變頻技術在毫米波目標仿真系統中應用的可行性。同時還進行了多目標頻譜特性的測試，測試結果表明變頻組件的多目標頻譜特性良好。圖5為4目標頻譜測試結果圖。

4 結論

本文提出了采用上下變頻器構建目標模擬系統的思路，此思路也符合國際上毫米波仿真技術發展方向。該項技術的研究成功，不僅為毫米波目標信號模擬器的研制提供了簡潔的解決方法，也為以后其他雷達型號半實物仿真目標信號模擬器的研制開拓了思路。今后，該項研究應朝著進一步提高毫米波上下變頻組件穩定度和目標位置合成精度的方向努力。

［1］宋李斌，程冰.寬帶射頻陣列式目標仿真系統的實時控制設計［J］.電子工程師，2004，30（8）：1-5. SONG Li-bin，CHENG Bing.Real-time Control of Broadband RF Targets Simulating System Realized by Arrays［J］. Electronic Engineer，2004，30（8）：1-5.（in Chinese）

［2］李王真.戰術導彈導引頭技術及毫米波制導的發展趨勢［J］.科技信息，2010（9）：40-41. LI Tian.Development Trends of Seeker Technique of Tactical Missile＆millimeter guidance［J］.Science＆Technology Information，2010（9）：40-41.（in Chinese）

［3］黃智偉.鎖相環與頻率合成器電路設計［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2008. HUANG Zhi-wei.Electronic Circuits Design of PLL and Frequency Synthesizer［M］.Xi′an：Xidian University Press，2008.（in Chinese）

［4］朱明.微波電路［M］.長沙：國防科技大學出版社，1994. ZHU Ming.Microwave Circuit［M］.Changsha：National Defense Science＆Techology Press，1994.（in Chinese）

［5］胡東，李東生.Ka頻段雙平衡星型混頻器的設計與仿真［J］.艦船電子對抗，2009，32（3）：113-117. HU Dong，LI Dong-sheng.Design and Simulation of Kaband Duplex Balance Star Mixer［J］.Shipboard Electronic Countermeasure，2009，32（3）：113-117.（in Chinese）

ZHANG Xing-li was born in Shijiazhuang，Hebei Province，in 1979.He received the B.S.degree in 2002.He is now an engineer. His research concerns missile guidance system hardware-in-loop simulation.

Email：boynotear＠163.com

馬逸超（1982—），男，陜西延安人，工程師，主要從事射頻制導仿真技術研究；

MA Yi-chao was born in Yan′an，Shaanxi Province，in 1982. He is now an engineer.His research concerns RF guidance simulation technology.

吳自祿（1981—），男，河南信陽人，工程師，主要從事射頻制導仿真技術研究。

WU Zi-lu was born in Xinyang，Henan Province，in 1981.He is now an engineer.His research concerns RF guidance simulation technology.

Design of MMW Frequency Conversion Module
for RF Guided Hardware-in-loop Simulation System

ZHANG Xing-li1，2，MA Yi-chao1，2，WU Zi-lu1，2
（1.Key Laboratory of Aviation Science for Airborne Guided Weapons，Luoyang 471009，China；2.China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China）

In order to extend the frequency band of radio frequency（RF）guided hardware-in-loop simulation（HILS）system，a specific frequency converter for HILS is designed that uses secondary frequency conversion scheme with a public reference source.The key components ofthe module include microwave phase-lock oscillator，fundamental wave mixer and harmonic mixers，millimeter-wave（MMW）amplifiers.Testresultindicates thatthe module has high amplitude and phase stability，wide dynamic range，and good spectral properties，therefore it meets the simulation requirement.

missile guidance system；HILS；MMW；frequency conversion module

TN773.4

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.020

張興利（1979—），男，河北石家莊人，2002年獲工學學士學位，現為工程師，主要從事導彈制導系統半實物仿真技術研究；

1001-893X（2012）02-0216-04

2011-09-30；

2011-12-19