一種應用于IFM的新型鑒相器設計

摘要介紹了對數放大器AD8309在瞬時測頻(IFM)中的應用，設計了基于AD8309的一種新型鑒相器電路，并將該電路成功應用于某跟蹤本振的瞬時測頻單元中。實現了對輸入射頻信號頻率298～318 MHz、功率為-50～+20 dBm、脈沖調制信號寬度為150 ns條件下，測頻精度150 kHz、準確度≤±300 kHz的技術指標。具有工作射頻脈沖調制脈沖小、工作動態(tài)大等優(yōu)點。
關鍵詞鑒相器；調制脈沖寬度；工作動態(tài)

近年來，隨著脈沖調制及變頻雷達技術的廣泛應用，測試其發(fā)射頻率特征的瞬時頻率接收機由于其在測試設備、跟蹤本振以及被動導引頭等領域的廣泛應用受到越來越多的關注。瞬時測頻主要分為鑒相式、多通道式、計數式以及駐波式等測頻方式。
鑒相式瞬時測頻如圖1所示，由于其電路形式簡單、測頻帶寬容易配置等優(yōu)點得到越來越廣泛的應用。為滿足不同的應用背景以及適應由于溫度等環(huán)境變化引起的輸入信號功率變化，要求電路在窄調制脈沖以及大動態(tài)輸入信號條件下瞬時測頻正常工作。

鑒相式瞬時測頻方案中，測頻速度、測頻準確度及其工作動態(tài)范圍與鑒相電路的設計有關。(1)國外鑒相器如AD8302在射頻輸入信號為-45～0 dBm范圍內能穩(wěn)定輸出兩路輸入射頻信號鑒相結果，但由于其器件固有響應時間的影響，導致在射頻調制脈沖寬度在200 ns的條件下無有效信號輸出，即瞬時測頻無法正常工作。(2)傳統(tǒng)鑒相器電路中為加大工作動態(tài)，常采用多級線性放大器進行級聯(lián)放大飽和輸出的方法實現鑒相電路的大動態(tài)設計，常需要6級以上的放大器進行放大，電路形式復雜、工藝要求高、功耗高。
本文采用對數放大器AD8309的對數放大、限幅輸出功能實現了一種新的高速、大動態(tài)鑒相器電路。利用該電路設計的瞬時測頻實現了在輸入射頻信號頻率298～318 MHz，信號功率-50～+20 dBm，脈沖調制信號脈沖寬度為150 ns、測頻精度150 kHz條件下準確度優(yōu)于±300 kHz的技術指標，優(yōu)于利用AD8302實現的瞬時測頻工作動態(tài)與最窄調制信號脈沖寬度。電路設計具有形式簡單、工藝要求低的特點。

1 理論分析
如圖2所示，鑒相式瞬時測頻的主要思想是將雷達發(fā)射機射頻脈沖信號分為延遲與不延遲兩路信號。假設輸入信號功分兩路后的輸出信號：

一路未經延遲線后的信號輸出
Eb1=Asinwt (1)
另一路經延遲線后的信號輸出
Eb2=Asin(wt-2πft) (2)
式中，t為射頻延遲線的延遲時間。
兩路信號混頻經低通濾波器后的信號輸出為
Es=1／2A2sin2πft (3)
由式(3)可知，影響Es輸出幅度從而影響測頻結果輸出的主要為信號幅度A，因此放大器在一定動態(tài)范圍內保證混頻器輸入信號幅度穩(wěn)定不變是瞬時測頻工作動態(tài)設計的關鍵。

2 電路設計
2．1 器件選擇
為保證鑒相電路鑒相輸出在一定的輸入動態(tài)范圍內保持穩(wěn)定以及滿足在150 ns調制脈沖條件下有有效數據輸出，鑒相電路中的放大電路選用具有限幅輸出功能的對數放大器AD8309與放大器單片NBB-500級聯(lián)實現。AD8309實現放大限幅輸出，使放大電路在輸入信號一定動態(tài)范圍內變化時保持穩(wěn)定輸出；NBB-500用來提高輸出動態(tài)，以使輸出信號功率滿足混頻器輸入功率要求。
AD8309內部功能框圖如圖3所示，典型電路如圖4所示。

對數放大器AD8309電性能參數：(1)工作頻率范圍5～500 MHz。(2)多級對數限幅放大器。(3)100 dB動態(tài)工作范圍：-78～+22 dBm。(4)可配置的限幅輸出與輸出電流；500 MHz帶寬范圍內100 dB增益；相位延遲典型值為±80 ps。(5)工作電源+2．7～+5 V．16 mA。
由于AD8309的輸入阻抗為1 kΩ，而系統(tǒng)設計阻抗為50 Ω、輸入為單端輸入，為實現級間阻抗匹配，設計輸入電路如圖5所示。

AD8309差分輸出的任一端的限幅輸出幅度由電阻Rload與Rlim通過式(4)決定
Vp-p=400 mV×Rload／Rlim (4)
為保證系統(tǒng)溫度特性以及電路輸出電流，選擇Rlim=100 Ω，由典型電路Rload=5×Rlim則Rload選用510 Ω。由于與AD8309級聯(lián)放大器NBB-500輸入阻抗為50 Ω，因此Rload=510／／50=46 Ω。由式(4)可得AD8309單端輸出幅度Vp-p=0．4×46／100=0．184 V(功率為-10．5 dBm，特征阻抗50 Ω)。
鑒相電路中混頻器選用SLD-1，其本振信號驅動功率為7±2 dBm，RF／IF輸人頻率為0．5～500 MHz，中頻輸出DC-500 MHz，滿足鑒相器的射頻輸入、中頻輸出頻率要求。為滿足其功率輸入要求，選用NBB-500與AD8309進行級聯(lián)放大。NBB-500在設計頻率298～318 MHz范圍內增益為20．5 dB，JP-1為+12．3 dBm，經其放大后輸出信號功率為+10 dBm，通過功分器功分后到達混頻器本振輸入端信號功率為+6．8 dBm，滿足混頻器本振驅動功率要求。鑒相輸出采用LTCC低通濾波器LFCN-80濾除高次雜波，其中S21輸出曲線如圖7所示。

最終設計工作頻帶內輸出鑒相信號Es正弦波幅度為0 dBm。為實現在整個頻帶內實現無模糊區(qū)域，選擇延遲線長度使Es在20 MHz帶寬范圍內輸出半正弦，輸出仿真波形如圖6所示。
2．2 設計結果
鑒相器電路設計結果如圖8所示。

將信號源設置為298～318 MHz線性掃頻，頻率步進為150 kHz，用示波器測試鑒相電路輸出信號如圖9所示，測試結果表明，鑒相器輸出與仿真結果一致，在測試頻帶內具有單調性。

3 試驗結果
應用該鑒相器在瞬時測頻電路中，設定射頻輸入信號頻率298～318 MHz，信號功率為-30 dBm，脈沖調制信號寬度為150 ns條件下，測頻精度150 kHz。測試結果如表1所示。

由表1測頻結果可知，基于新鑒相器的瞬時測頻在工作頻帶內的輸出準確度≤±300 kHz。改變輸入信號功率，測頻模塊在射頻輸入功率為-50～+20 dBm的70 dB動態(tài)范圍內均能達到≤±300 kHz的測頻輸出準確度。整個鑒相器電路的工作電壓為+3．3 V，工作電流51 mA，滿足低功耗設計。

4 結束語
設計實現了一種新的瞬時測頻用鑒相器電路。基于該電路，鑒相式瞬時測頻達到了最小射頻調制脈沖寬度150 ns、工作動態(tài)70 dB的技術指標；在20 MHz信號帶寬、測頻精度設計為150 kHz的條件下，測頻結果準確度優(yōu)于±300 kHz。達到了技術性能指標設計要求，并成功應用于某自動頻率跟蹤的瞬時測頻單元中。整個鑒相器電路設計具有形式簡單、功耗低、可靠性高、成本低等特點，在工作輸入射頻調制脈沖寬度與工作動態(tài)方面優(yōu)于國外專用器件，并可進一步進行小型化設計。