一种高码速率微波锁相调频遥测发射机

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。K_v（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，K_d（V／rad）是鉴相器的鉴相灵敏度，K_m（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，U_Ω（S）为输入PCM信号。
    由相位模型可得：

　　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K_m满足下列条件：

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C_j和所加的电压信号V_R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V_R＝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ω_n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ω_n＝2π×100 rad／s，ξ＝0．707，K_v＝2π×8×10⁶ rad／sV，K_d＝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K_m＝18．85。若选取R₀＝2 MΩ，则由式（8）得　　

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m_f时，调频波的第一对边频分量与主频分量的电平差：
   
式中，J₀（m_f）、J₁（m_f）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f_m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m_f＝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。