一种高码速率的微波锁相调频源

　　随着二十一世纪的来临，测控通信系统将朝着更高传输速率的方向发展，即所要传输的战术飞行试验数据容量和参数种类随着武器系统的发展而剧增，将要求PCM信号的码速率由目前的几百kb/s增加到2Mb/s或更高。在国际测控通信频段(S波段)，要实现2Mb/s PCM信号的调频，构成调频源的技术方案有两种。一种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，来实现2Mb/s遥测信号的宽带调频。它克服了第一种方案的缺点，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两种实现方式，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(VCO)，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。因此，本文研究的调频源将选用准两点注入式调频方式。
1 准两点注入式锁相调频源构成和调频
　　特性分析
　　将PCM信号分成两路，一路直接注入到S波段VCO输入端，使VCO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VCO进行调相来实现间接调频。该调频方式称为准两点注入式锁相调频。准两点注入式锁相调频源构成框图如图1所示。图中，PD为鉴相器；LF为环路滤波器；N为环路中分频器链路总的分频比；晶振为锁相环路的参考源。
　　图2为准两点注入式锁相调频源的相位模型。图中，为简化分析，未将预调电路考虑进去，但不影响分析结果。K_V(rad/sV)是VCO的压控灵敏度；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PCM信号。

　　由相位模型可得


　　其调频特性将为一平坦的直线K_V，即可得到与环路响应无关的宽带调制特性。这一技术特性正好满足高码速率信号的调频要求。
2 主要电路的设计
2.1 VCO调频电路
　　按照国标标准，对于PCM/FM测控通信系统，要确保系统的误码概率最小，其最佳调制频偏应选择为
　　Δf＝±0.35f_b　　　　　　　　　　(6)
　　式中，f_b为PCM信号的码速率。当f_b＝2Mb/s时，相应的Δf＝±700kHz。
　　为适应2Mb/s PCM信号传输和宽带调制的要求，采用的VCO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VCO振荡管。
　　要使2Mb/s PCM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与所加的电压信号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＝1.3V)；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，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。
2.2 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和阻尼系统ξ这两个参数决定。其计算公式为:
　　
　　在设计中，选取ω_n＝2π×100rad/s,ξ＝0.707,K_V＝2π×8×106rad/sV,K_d＝0.12V/rad,N＝320,C＝0.1μF，经过计算得到R₁＝477.4kΩ,R₂＝22.5kΩ。实际取R₁＝470kΩ,R₂＝22kΩ。
　　对于有源积分器，它的积分时间常数计算式为:
　　K_m＝(1+A)R₀C₀　　　　　(9)
　　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＝2MΩ，则由式(9)得:
　　C₀＝K_m/(1+A)R₀＝0.47(μF)
　　另外，为确保有源积分器能正常工作，其运算放大器的3脚应接上一个20kΩ的电阻。
2.3 分频器链路
　　锁相环路中的分频器链路是使用÷4分频器IFD－53110和÷80分频器SE114来组成，如图5所示。IFD－53110是微波高速分频器，属于微波和ECL电路，最高工作频率达3500MHz，微带封装结构，体积比较小。SE114为ECL和TTL集成电路，最高工作频率可达1000MHz。