某型導彈發射車基準頻率形成器組合的國產化研究

摘要：針對某引進武器裝備導彈發射車基準頻率形成器組合故障后無法修復、外購困難等問題，采用逆向工程的方法，通過剖析原基準頻率形成器組合的組成結構、工作原理及性能指標，提出了基于鎖相環技術和直接式倍頻器相結合的混合式頻率合成器進行功能替代的國產化研制新思路。研制的國產化基準頻率形成器組合具有高頻率穩定度、低相位噪聲等特點，已在部隊和工廠裝備修理中得到推廣應用，能夠替代原基準頻率形成器組合上裝使用，成功解決了制約裝備修理的技術瓶頸問題。

關鍵詞：頻率形成器;國產化;功能替代;鎖相環

基準頻率形成器組合作為某型導彈發射系統的核心，是決定發射系統性能的關鍵設備，近年來隨著武器裝備使用年限的增加，其故障率逐年增高，而且一旦故障失效，幾乎沒有修復的可能。原基準頻率信號形成器組合設計思想獨特，工作原理復雜，組合內存在不少特殊定制器件，但其內部的電真空器件老化、低效，性能下降，接近使用壽命;超高頻振蕩器故障率高，備件消耗量大，對外采購困難;組合內控制輸出頻率穩定性的電子隨動系統結構復雜，出現故障后難以進行故障隔離和定位。為了保證該引進裝備的正常使用，必須開展基準頻率形成器組合的國產化研制^[1]。

1原基準頻率形成器組合的功能、組成及工作原理

原基準頻率形成器組合的主要功能是產生滿足一定功率和頻率穩定度的等幅連續超高頻信號，作為基準信號送到下一級工作頻率產生組合，經變換后產生標準的工作代碼頻率，以對彈上速調管、磁控管頻率及無線電測向儀初始相位進行微調和重調。

原基準頻率形成器組合主要包括供電電源、晶體振蕩器、分頻器、中頻放大器、直流放大器、超高頻模塊等。圖1所示為原基準頻率形成器組合的功能原理圖。石英晶體振蕩器輸出的高穩定度的80MHz信號送入超高頻模塊中的混頻器1，與超高頻模塊中的超短波振蕩器輸出信號進行混頻，產生第一中頻信號送人微調電路（分頻器和頻率相位轉換器），形成相應的控制信號，經直流放大器放大再送入超高頻模塊，對超短波振蕩器的頻率進行微調，微調輸出的信號經乘法器倍頻后形成的工作頻率送人超高頻模塊中的混頻器2，與超高頻模塊中超高頻振蕩器輸出的高頻信號進行混頻，形成第二中頻信號，第二中頻信號經過放大送入頻率相位微調系統和控制電路進行微調，產生的信號經直流放大器放大再送入超高頻模塊中的超高頻振蕩器，實現超高頻振蕩器的微調，微調后的信號經法蘭盤φл1輸入下一級工作頻率產生組合，經變換后產生標準的工作代碼頻率。

2國產化基準頻率形成器組合的設計

武器系統引進時，隨機資料和人員培訓主要集中在裝備的使用和維護方面，出于技術保密，外方沒有提供任何設計方面的技術資料。如何通過逆向工程的方法獲得原基準頻率形成器組合在不同工作狀態下的激勵響應信息，反推解算出組合的輸入輸出設計需求，是一項系統、復雜的工作。項目組在剖析頻率自動調整設備工作原理、各組成部分功用和互相之間聯系的基礎上，通過大量測試、分析和驗證，破解了原基準頻率形成器組合的內部電路組成及其核心技術。

2.1研制方案的確定

原基準頻率形成器組合設計屬上世紀80年代技術，已無法找到相關的技術資料，且國產同類武器裝備均已不再采用類似的技術方法，顯然，采用“一一替換”的研仿模式無效，必須透徹研究原基準頻率形成器組合的功能和原理，并對組合在不同工作狀態下的輸入、輸出信息進行系統測試、分析和處理，盡可能得到其完整、準確的設計輸入輸出需求，采用整體功能替代研制方案^[2]。

2.2國產化基準頻率形成器組合的組成及原理

國產化基準頻率形成器組合主要由頻綜模塊（A板、B板、C板、D板）以及頻綜控制顯示模塊和電源模塊組成，其功能框圖如圖2所示。

國產化基準頻率形成器組合采用低紋波直流穩壓電源供電，輸入單相交流電源，輸出+12V、+5V I、+5VⅡ三路直流電源，+12V主要用于晶體、VCO等的供電，+5VⅡ用于頻綜控制顯示模塊的供電，+5V Ⅰ用于頻率綜合器的倍頻電路、步進數字鎖相環PLL、濾波電路等的供電。

頻率綜合器模塊采用雙恒溫晶體振蕩器，其頻率穩定度可達到2×10^-8，相噪優于155dBc/Hz。一路為模擬倍頻產生固定頻率（A板），作為頻率源的頻率相位基準，用晶振1信號輸出構成模擬倍頻鏈，經各級二極管倍頻器實現N次倍頻，各級經窄帶介質帶通濾波器提取有用信號，抑制不需要的合成雜散分量，最后經梳狀微波濾波器提取固定頻率f₀₁。

另一路為步進數字鎖相環PLL和VCO（C板），用于產生步進頻率。晶振2信號經過N分頻產生XXMHz基準信號，VCO輸出信號經PLL模塊中的數字可編程分頻器分頻后與基準信號同時加到PLL模塊中的鑒頻/鑒相器，產生鑒相電壓，經環路濾波器加到VCO，實現步進XXMHz，輸出對應的L波段頻率信號f₀₂。其中，PLL模塊中的數字可編程分頻器分頻次數由頻綜控制顯示模塊設置頻點時產生的控制碼決定。

f₀₁、f₀₂同時送入平衡混頻器（B板），混頻器在頻率源中主要實現頻率的加減，濾波器提取和頻信號，抑制鏡像信號和載波信號，將和頻信號送入高頻功率放大器，放大信號電平后輸出，滿足系統要求，同時放大器提供的一路信號檢波電壓作為輸出功率指示送入頻綜控制顯示模塊的控制面板用于顯示。

2.3設計中的關鍵技術

1）電源電路設計

為了滿足基準頻率形成器組合相位噪聲核心指標的要求，對電源提出了高質量要求，尤其是減小電源輸出的紋波脈動和諧波干擾。線性穩壓直流電源的特點是：輸出電壓比輸入電壓低;反應速度快，輸出紋波較小;工作產生的噪聲低;效率偏低，在功率較大時需增加散熱片從而增大體積。根據設計估算，國產化組合總消耗功率不足100W，體積滿足設計安裝尺寸要求，折中考慮了轉換效率問題，為此電源電路設計采用了低噪聲、低紋波系數的線性穩壓電源。線性電源是先將交流電經變壓器變壓，再經整流電路整流后，得到脈動直流電，后經濾波得到帶有微小紋波電壓的直流電壓，再經穩壓電路穩壓后得到穩定的直流電壓，如圖3所示。

2）基準源選擇

國產化組合為鎖相環技術和直接式倍頻器相結合的混合式頻率合成器，組合輸出頻率的準確度和穩定度與基準源一致。為確保國產化組合的頻率穩定度和準確度，基準源選用電子13所的高穩定度恒溫晶振，在偏離載頻1kHz處的相噪基底為155dBc/Hz，頻率穩定度為±2×10^-8，工作溫度為-40℃～50℃。

3）集成鎖相芯片選擇

國產化設計的基準頻率形成器組合要求相位噪聲低，輸出頻率X波段，共8個波道，通過單片機發送的頻率控制字進行波道選擇。在對比各種大規模集成頻率合成芯片性能的基礎上，選用了單片大規模集成鎖相環頻率合成芯片PE3236作為核心電路，構成鎖相式頻率合成器。

集成鎖相環頻率合成芯片PE3236是Peregrine公司生產的一種高性能整數分頻PLL芯片，最高分頻頻率可達2.2GHz。PE3236采用了UTSiCMOS技術，具有超低相位噪聲的優良性能。

PE3236由高速前置分頻器、計數器、鑒相器和控制邏輯組成。高速前置分頻器采用吞脈沖分頻技術，通過模式選擇確定對VCO輸出頻率除以10或是除以11;主計數器M和參考計數器R分別對雙模前置分頻器輸出頻率和參考頻率進行分頻;輔助計數器A用于模式選擇控制邏輯;鑒相器產生上下頻率控制信號;還具有鑒相頻率檢測、時鐘檢測引腳。各計數器的計數值可以通過串行或并行接口編程實現，也可以通過連線實現。該芯片具有功耗低、相位噪聲低、雜散小、分頻頻率高、編程靈活方便等優點。

4）環路濾波器設計

環路濾波器是由電阻、電容或者還有放大器組成的線性電路，是一種低通濾波器，其作用是濾除來自PLL電路中鑒相器輸出電壓Vd（t）中的高頻成分和噪聲分量，得到一個干凈的控制電壓去控制壓控振蕩器的頻率輸出，而壓控振蕩器的控制電壓在穩態時必須保持恒定^[3]。環路濾波器設計采用三階無源比例積分器，原理圖如圖4所示。環路濾波器一方面濾除鑒相器產生的高頻分量、紋波并限制帶外噪聲，取其平均分量去控制壓控振蕩器的頻率;另一方面也是鎖相環的一個重要參數調節器件，通過改變環路濾波器的參數可以改變鎖相環環路的重要特性指標，對環路捕捉帶的大小、環路的捕捉時間和跟蹤時間、環路的穩定性和噪聲指標等均有影響^[4]。實際應用中，環路濾波器易受很多因素干擾，導致壓控振蕩器輸出頻率漂移或鎖相環工作不穩定，甚至失鎖。通常應對組成環路濾波器的元器件參數進行調整，以求達到最佳效果。

設計指標規定，國產化組合要在1ms內改變頻點，這對環路的鎖定時間提出了較高要求。需要在環路濾波器設計時選擇合適的相位裕度和環路帶寬來滿足系統指標要求。相位裕度與系統的穩定性密切相關，典型參數范圍介于40°～55°之間，較大的相位裕度雖然能減小環路濾波器的峰值響應，但卻增加了鎖定時間。環路帶寬小可以降低參考雜散和相位誤差，同時也會增大鎖定時間;加大環路帶寬能改善鎖定時間，但參考雜散和相位誤差也會隨之增大。設計過程中，在計算和系統仿真的基礎上，通過搭建測試環境觀測鎖相環路的動態調整過程，折中確定了合適的時間常數，在滿足鎖定時間的前提下減小了超調量，增加了系統的穩定性。

3測試結果

利用頻譜儀、頻率計、直流電源、交流電源等設備搭建測試平臺，對國產化基準頻率形成器組合與原基準頻率形成器組合進行了性能對比測試，見圖5。

測試結果表明：國產化基準頻率形成器組合的頻率穩定度、相位噪聲、雜散等參數均優于原基準頻率形成器組合，主要性能指標對比見表1。

4結束語

目前，國產化基準頻率形成器組合已通過了在軍方指定的第三方進行的可靠性考核試驗和軍方組織的飛行靶試驗證，并在部隊和工廠裝備修理中得到推廣應用。驗證結果表明，該產品能夠滿足引進裝備的正常使用要求，使用維護簡單、方便。基準頻率形成器組合的成功國產化可解決國外技術封鎖和對國外備件保障的依賴，提高裝備的國內自主可控能力，保障裝備的完好率，經濟和軍事效益明顯。

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