一种应用于IFM的新型鉴相器设计

摘要 介绍了对数放大器AD8309在瞬时测频(IFM)中的应用，设计了基于AD8309的一种新型鉴相器电路，并将该电路成功应用于某跟踪本振的瞬时测频单元中。实现了对输入射频信号频率298～318 MHz、功率为-50～+20 dBm、脉冲调制信号宽度为150 ns条件下，测频精度150 kHz、准确度≤±300 kHz的技术指标。具有工作射频脉冲调制脉冲小、工作动态大等优点。
关键词 鉴相器；调制脉冲宽度；工作动态

    近年来，随着脉冲调制及变频雷达技术的广泛应用，测试其发射频率特征的瞬时频率接收机由于其在测试设备、跟踪本振以及被动导引头等领域的广泛应用受到越来越多的关注。瞬时测频主要分为鉴相式、多通道式、计数式以及驻波式等测频方式。
    鉴相式瞬时测频如图1所示，由于其电路形式简单、测频带宽容易配置等优点得到越来越广泛的应用。为满足不同的应用背景以及适应由于温度等环境变化引起的输入信号功率变化，要求电路在窄调制脉冲以及大动态输入信号条件下瞬时测频正常工作。

    鉴相式瞬时测频方案中，测频速度、测频准确度及其工作动态范围与鉴相电路的设计有关。(1)国外鉴相器如AD8302在射频输入信号为-45～0 dBm范围内能稳定输出两路输入射频信号鉴相结果，但由于其器件固有响应时间的影响，导致在射频调制脉冲宽度在<200 ns的条件下无有效信号输出，即瞬时测频无法正常工作。(2)传统鉴相器电路中为加大工作动态，常采用多级线性放大器进行级联放大饱和输出的方法实现鉴相电路的大动态设计，常需要6级以上的放大器进行放大，电路形式复杂、工艺要求高、功耗高。
    本文采用对数放大器AD8309的对数放大、限幅输出功能实现了一种新的高速、大动态鉴相器电路。利用该电路设计的瞬时测频实现了在输入射频信号频率298～318 MHz，信号功率-50～+20 dBm，脉冲调制信号脉冲宽度为150 ns、测频精度150 kHz条件下准确度优于±300 kHz的技术指标，优于利用AD8302实现的瞬时测频工作动态与最窄调制信号脉冲宽度。电路设计具有形式简单、工艺要求低的特点。

1 理论分析
    如图2所示，鉴相式瞬时测频的主要思想是将雷达发射机射频脉冲信号分为延迟与不延迟两路信号。假设输入信号功分两路后的输出信号：

    一路未经延迟线后的信号输出
    Eb1=Asinwt               (1)
    另一路经延迟线后的信号输出
    Eb2=Asin(wt-2πft)        (2)
    式中，t为射频延迟线的延迟时间。
    两路信号混频经低通滤波器后的信号输出为
    Es=1／2A2sin2πft         (3)
    由式(3)可知，影响Es输出幅度从而影响测频结果输出的主要为信号幅度A，因此放大器在一定动态范围内保证混频器输入信号幅度稳定不变是瞬时测频工作动态设计的关键。

2 电路设计
2．1 器件选择
    为保证鉴相电路鉴相输出在一定的输入动态范围内保持稳定以及满足在150 ns调制脉冲条件下有有效数据输出，鉴相电路中的放大电路选用具有限幅输出功能的对数放大器AD8309与放大器单片NBB-500级联实现。AD8309实现放大限幅输出，使放大电路在输入信号一定动态范围内变化时保持稳定输出；NBB-500用来提高输出动态，以使输出信号功率满足混频器输入功率要求。
    AD8309内部功能框图如图3所示，典型电路如图4所示。

    对数放大器AD8309电性能参数：(1)工作频率范围5～500 MHz。(2)多级对数限幅放大器。(3)100 dB动态工作范围：-78～+22 dBm。(4)可配置的限幅输出与输出电流；500 MHz带宽范围内100 dB增益；相位延迟典型值为±80 ps。(5)工作电源+2．7～+5 V．16 mA。
    由于AD8309的输入阻抗为1 kΩ，而系统设计阻抗为50 Ω、输入为单端输入，为实现级间阻抗匹配，设计输入电路如图5所示。

    AD8309差分输出的任一端的限幅输出幅度由电阻Rload与Rlim通过式(4)决定
    Vp-p=400 mV×Rload／Rlim       (4)
    为保证系统温度特性以及电路输出电流，选择Rlim=100 Ω，由典型电路Rload=5×Rlim则Rload选用510 Ω。由于与AD8309级联放大器NBB-500输入阻抗为50 Ω，因此Rload=510／／50=46 Ω。由式(4)可得AD8309单端输出幅度Vp-p=0．4×46／100=0．184 V(功率为-10．5 dBm，特征阻抗50 Ω)。
    鉴相电路中混频器选用SLD-1，其本振信号驱动功率为7±2 dBm，RF／IF输人频率为0．5～500 MHz，中频输出DC-500 MHz，满足鉴相器的射频输入、中频输出频率要求。为满足其功率输入要求，选用NBB-500与AD8309进行级联放大。NBB-500在设计频率298～318 MHz范围内增益为20．5 dB，JP-1为+12．3 dBm，经其放大后输出信号功率为+10 dBm，通过功分器功分后到达混频器本振输入端信号功率为+6．8 dBm，满足混频器本振驱动功率要求。鉴相输出采用LTCC低通滤波器LFCN-80滤除高次杂波，其中S21输出曲线如图7所示。

    最终设计工作频带内输出鉴相信号Es正弦波幅度为0 dBm。为实现在整个频带内实现无模糊区域，选择延迟线长度使Es在20 MHz带宽范围内输出半正弦，输出仿真波形如图6所示。
2．2 设计结果
    鉴相器电路设计结果如图8所示。

    将信号源设置为298～318 MHz线性扫频，频率步进为150 kHz，用示波器测试鉴相电路输出信号如图9所示，测试结果表明，鉴相器输出与仿真结果一致，在测试频带内具有单调性。

3 试验结果
    应用该鉴相器在瞬时测频电路中，设定射频输入信号频率298～318 MHz，信号功率为-30 dBm，脉冲调制信号宽度为150 ns条件下，测频精度150 kHz。测试结果如表1所示。

    由表1测频结果可知，基于新鉴相器的瞬时测频在工作频带内的输出准确度≤±300 kHz。改变输入信号功率，测频模块在射频输入功率为-50～+20 dBm的70 dB动态范围内均能达到≤±300 kHz的测频输出准确度。整个鉴相器电路的工作电压为+3．3 V，工作电流51 mA，满足低功耗设计。

4 结束语
    设计实现了一种新的瞬时测频用鉴相器电路。基于该电路，鉴相式瞬时测频达到了最小射频调制脉冲宽度150 ns、工作动态70 dB的技术指标；在20 MHz信号带宽、测频精度设计为150 kHz的条件下，测频结果准确度优于±300 kHz。达到了技术性能指标设计要求，并成功应用于某自动频率跟踪的瞬时测频单元中。整个鉴相器电路设计具有形式简单、功耗低、可靠性高、成本低等特点，在工作输入射频调制脉冲宽度与工作动态方面优于国外专用器件，并可进一步进行小型化设计。