一種微波下變頻鏈路的實現方法研究

易 磊 嚴宜強

(中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471009)

0 引言

音頻信號主要分布在20Hz～20kHz頻率段，電視視頻變成無線電信號占用不到2MHz頻率，雷達目標特征只需幾十兆赫茲頻率即可描述。無線傳輸音頻、視頻信號則需幾兆、幾十兆赫茲的信號作為載波，而制導雷達一般選擇500MHz以上的頻率工作，部分毫米波雷達的工作頻率可以達到40GHz甚至更高[1]，要得到載波中有用的信息，通常采用下變頻的方式將載波頻率搬移到中頻，然后對中頻信號進行處理，獲取目標信息。

雷達目標模擬器的主要功能是為雷達導引頭提供目標回波源，用以在半實物仿真中驗證雷達型制導武器系統的性能。目標模擬器系統前端射頻部分的主要功能是接收偵查射頻信號，然后進行下變頻，變至中頻信號以便進行高速采樣與后續處理，一般通過下變頻鏈路來實現[2-3]。

下變頻鏈路信號的質量直接關系著目標模擬器輸出回波信號的質量，需要綜合考慮下變頻過程中對射頻信號的頻率、雜散、相噪等參數的影響。本文介紹了一種微波下變頻鏈路的實現方法，較好地解決了微波信號下變頻過程中雜散與相噪控制的難題，為后續信號處理提供了雜散較低、相噪較好的中頻信號，且系統自身具有較寬的動態范圍和較高的瞬時帶寬。

1 設計思想

1.1 概述

微波下變頻鏈路的原理圖如圖1所示，接收到的(2～18)GHz射頻信號，經過開關選擇、衰減、低噪聲放大(LNA)等處理，進入混頻器中進行三級混頻后變成(0.1～1.1)GHz的中頻信號，提供給后續單元進行信號采集與處理。輸入信號為一路射頻信號(需要變頻的信號)，三路本振信號(其中的第一路本振信號為捷變頻本振，另外2路本振為固定26GHz、3.6GHz本振信號)。

下變頻輸入信號功率范圍為(-50～10)dBm，下變頻鏈路包含有64dB動態范圍的射頻數控衰減器和25dB增益的前置放大器。單級程控衰減器具備11bit控制分辨率，程控步進0.03dB，通過標定很容易實現0.5dB的衰減精度，前端整體可以滿足60dB左右的輸入動態要求。下變頻的中頻帶通濾波器帶寬為1GHz，捷變頻頻綜頻率步進10MHz，整個系統能夠達到1GHz瞬時帶寬的設計要求。

1.2 測頻技術

測頻模塊對輸入信號進行頻率測量，用以確定捷變頻模塊的輸出頻率。測頻模塊需要對信號進行處理才能完成測頻，其主要由前端射頻和后端數字處理兩部分組成：前端射頻部分完成信號的功分、放大、延遲和模擬鑒相；后端數字處理部分主要完成測頻值解模糊查表。

前端射頻模塊原理如圖2所示，前端射頻模塊將(2～18)GHz的射頻信號放大后，功分為8路射頻信號，4路為IQ混頻器的LO端信號，另4路為IQ混頻器的RF端信號，分別經過4個IQ混頻器正交解調，輸出8路IQ視頻信號。

數字處理部分如圖3所示，AD采樣后分別對3個通道進行鑒相、溫度校正、1:4:16:64校碼及拼接后，產生12位頻率碼和相關狀態碼，再根據固定公式計算得到頻率值，根據這個頻率值對捷變頻模塊輸出頻率進行控制。

1.3 多級混頻技術

變頻模塊是整個微波鏈路的核心模塊，變頻方案的選擇，一般有單次變頻和多級變頻兩種。單次變頻結構簡單，但抑制鏡像頻率的能力較差，多級變頻具有接收靈敏度高、選頻特性好、抑制鏡像頻率能力強的特點，對于寬帶射頻輸入信號而言，選擇多級變頻的方式更加適合[4]。下變頻的具體實現方法如圖1所示，通過三級變頻來實現從(2～18)GHz射頻信號至(0.1～1.1)GHz中頻信號的頻率搬移，首先輸入的(2～18)GHz信號和(25～41)GHz的本振進行混頻，變頻至(23±0.5)GHz，此時微波鏈路的信息就已經包含在這個點頻上，該中頻信號與26GHz本振再次混頻至(3±0.5)GHz，輸出的中頻信號再次與3.6GHz的本振混頻，最終得到(0.1～1.1)GHz的中頻信號。下變頻頻率對照表如表1所示。

表1 下變頻頻率對照表 (單位：GHz)

1.4 參考源模塊

當兩個信號混頻，如果一個信號相對另一個信號相噪指標高出10dB以上時，輸出信號的相噪取決于其中相噪指標較差的那個信號。下變頻過程中經過了多次混頻，本振信號的相噪直接決定了輸出信號的相噪，而本振信號的相噪是由參考源模塊的性能決定的。

參考源模塊原理圖如圖4所示，參考源模塊為整個系統提供時鐘基礎，獨立工作時鎖定到頻綜內部100MHz晶振，以保證頻綜的相參性，也可以鎖相至外部參考信號，能夠使得校準系統與被校模擬源相參。參考源模塊為(2～18)GHz變頻系統提供需要的點頻本振；還需要為數字板卡提供2.4GHz采樣時鐘；此外還需要配備1路低相噪100MHz輸出同步信號，此信號用于多個微波頻率源之間進行同步使用。

對于3.6GHz點頻源，其輸出信號相噪優于-105dBc/Hz@1kHz；對于26GHz點頻源，其輸出信號相噪優于-100dBc/Hz@1kHz；對于捷變頻頻綜，由于被校準系統的輸出信號會隨時跳變，所以采用基于DDS和PLL相結合的混合式頻率合成方案，兼顧快速的頻率切換時間和系統的低相噪要求[5-6]，捷變頻頻綜內部的100MHz恒溫晶振同步信號，其相噪指標可達-155dBc/Hz@1kHz，通過選取低噪聲分頻器與鑒相器，并優化鎖相環路設計，使得捷變頻頻綜最終輸出信號的相噪指標優于-95dBc/Hz@1kHz，從而確保了整個下變頻鏈路的相噪滿足指標要求。

2 驗證試驗

這里給出了某雷達目標模擬器校準系統中下變頻模塊，實測所能夠達到技術指標如下：

1)射頻頻率范圍：(2～18)GHz；

2)中頻頻率范圍：(0.1～1.1)GHz；

3)瞬時信號帶寬：1GHz；

4)頻綜跳頻速度：≤120ns；

5)頻綜步進：10MHz；

6)射頻接收功率：(-50～10)dBm；

7)下變頻輸出信號雜散：≤-60dBc；

8)下變頻輸出信號相噪：-90dBc@1kHz，-95dBc@10kHz。

3 結束語

本文論述了在綜合考慮微波下變頻鏈路技術要求的基礎上，設計并實現了一種微波下變頻鏈路。在由射頻信號向中頻信號轉換的過程中，滿足了輸入信號大動態范圍和高處理帶寬的要求，實現了低相噪、低雜散中頻信號的輸出。