X频段信标机的设计与实现*

，薛 军，谢 勇

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

X频段信标机的设计与实现*

梁 盛，潘高峰**，薛 军，谢 勇

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

为满足船载X频段测控设备信道相位修正和伺服性能检查的需要，设计并研制了一款X频段信标机。首先，选用HMC765LP6CE芯片，利用频率合成技术设计了信源并通过通用串行总线(USB)实现了发射频率用户自定义；其次，针对安装平台面积小的限制，基于高频结构仿真器(HFSS)设计了高次模微带天线并完成了仿真分析和指标优化；最后，完成了X频段信标机的工程实现并给出了硬件电路结构和软件程序设计方法。经测试,该信标机锁相效果良好，控制简便，性能可靠,满足用户使用要求。

X频段测控设备;信标机设计;直接频率合成;微带天线

1 引 言

因远洋测控的特殊性，船载X频段测控系统技术状态受盐雾、湿度、温差等因素的影响较大，其信道相位有可能发生变化，同时也有必要对伺服跟踪性能等进行标校检查。在海上无标校塔的情况下，通常采用放球方式。所谓放球，就是释放携带有信标的探空气球，测控设备对信标进行跟踪并开展相关技术验证的过程[1]。气球所携带的信标是一种射频信号发生器，能够通过天线发射适用于测控设备跟踪的信号。

中国卫星海上测控部是国内唯一负责完成海上测控试验任务的单位，且用于海上无塔标校的信标机因应用环境特殊、频段需求多样、小型化和可靠性要求高等因素导致国内厂商的新研成本很高、研制周期较长，所以有必要以满足用户使用要求为出发点，依靠自身技术能力，设计并研制一款应用于海基平台无塔标校的X频段信标机。

2 信源设计

X频段信标机的信源须具备频率分辨率高、转换速度快、工作稳定可靠、输出信号频谱纯度高等特点。本文采用了直接频率合成技术，通过相参合成方法，基于Hittite公司的HMC765LP6CE芯片开展信源的设计研制。此频率合成器具备驱动混频器等模拟器件的能力，内部集成了压控振荡器、鉴相器、移位寄存器以及电荷泵，其中还包括R与N两个分频器[2]，可以很大程度上减小噪声对锁相环路带来的不利影响，从而提高整个系统的稳定性。主要技术参数[3]：输入参考频率100 kHz～220 MHz,基波输出的频率范围7.8～8.8 GHz,典型输出功率13 dBm。

在工程应用中，可利用SPI总线通过改写内部寄存器方式对输出频率进行设置，此配置方式简单高效，仅需通过简单的三线式串行接口即可实现。HMC765LP6CE芯片功能框图如图1所示，引脚28～30为SPI控制端，引脚18为电荷泵输出。

图1 频率合成器HMC765LP6CE功能框图Fig.1 Functional block diagram of HMC765LP6CE

3 天线设计

X频段信标机在实际使用中外挂在探空气球下方且在放飞过程中不可避免会出现姿态翻滚，所以对其安装平台的小型化、辐射指向性要求较高。本文基于电磁场仿真软件HFSS设计一款小型化高次模微带天线以满足上述需求。此天线采用贴片形式，仿真模型如图2所示，图示中隐藏了采用尼龙材料的透波天线罩。

图2 高次模微带天线仿真模型

根据工程经验，定义此天线的贴片尺寸:基片半径为20 mm，高度为1.4 mm;辐射贴片长度为19.5 mm，宽度为20.3 mm。将图2所示模型在HFSS进行仿真分析，并以馈电位置为参数进行性能优化，最终的仿真结果如图3所示。

(a)方向图

(b)驻波比仿真结果图3 方向图与驻波比仿真结果Fig.3 Simulation result of radiation pattern and voltage standing-wave ratio

从仿真结果可知，频率在8.5 GHz±10 MHz内的驻波比≤1.46；增益最大值为4.28 dB(仰角61°)，水平方向增益>0.33 dB，垂直方向增益最小；天线方向图形状为“8”字形，水平360°全向。

在工程实现中，受电路板金属敷料影响，天线方向图会略微向上偏转，水平方向的天线增益略有损失，但仍然满足增益≥0 dB的指标要求。研制的天线实物如图4所示。

图4 天线实物图Fig.4 Photo of the developed higher-order mode micro-strip antenna

4 X频段信标机工程实现

X频段信标机的原理框图如图5所示。由图可见，X频段信标机采用有源晶振作为统一参考源，其他所需频率均由参考源分频、混频和倍频得到，从而保证了频率的精度和稳定度。单片机选用C8051F320，利用其集成USB控制器的特点，方便实现上位机的控制[4]。其工作原理为单片机通过接收USB通道的控制信息或读取片内寄存器的对应扇区，对预分频器和鉴相器进行参数控制，预分频器输出信号与参考信号进入鉴相器后输出误差信号，误差信号经低通滤波、放大后控制压控振荡器产生X频段射频信号，该射频信号分为两路输出：一路经放大器、隔离器后通过天线发出；另一路经耦合器反馈至预分频器，形成闭环。

图5 X频段信标机原理框图Fig.5 Functional block diagram of X-band beacon

4.1硬件电路设计

本文方案中选用50 MHz作为环路的参考时钟输入，锁相环路中的VCO输出上、下限值分别为8.8 GHz和7.8 GHz。在图1中，HMC765LP6CE(简称HMC765)的引脚28～30分别与C8051F320的3个通用I/O口相连，通过C8051F320向HMC765写入控制字以实现改变或设置输出频点的功能。

鉴相器的误差信号送入电荷泵，电荷泵将这个误差信号转化成直流信号(含部分高频分量)后送入环路滤波器后，由HMC765引脚18(CP)输出，将引脚18与引脚6(VTUNE)短接，使信号最后锁定在X频段，最终的射频信号由引脚38(RFOUT)产生。

在锁相环设计中，环路滤波器的选择和设计是非常重要的一环，其质量直接决定了锁相环的性能指标的高低。无源环路滤波器设计简单、成本低并且对带内相位噪声影响小，但是在本方案设计中，压控振荡器的调谐电压比较高，鉴相器的输出电压不足以提供其调谐电压，因此必须采用有源环路滤波器。这里采用了常用的三阶有源环路滤波器，所选择的运算放大器为ADI公司的AD822芯片，其单端输出电压3～36 V，满足设计需要。

4.2软件设计

为提高X频段信标机的适应性，实现频段内任意频率可设，需要通过上位机进行控制。其中，上位机负责编排指令帧，考虑到接口通用性，采用USB接口进行指令发送；单片机负责接收指令，在将指令帧存入片内寄存器的同时写入HMC765寄存器进行频率控制。

4.2.1单片机软件设计

单片机程序流程如图6所示，主要功能为USB通信配置、读写片内寄存器、SPI通信配置，初始化端口配置、USB模式配置、读取片内寄存器数据以及对HMC765寄存器进行写操作。当USB接口完成匹配并接收到上位机指令帧时，需将数据按照先擦除再写入原则放入片内寄存器，并同步将数据通过SPI总线按照操作时序写入HMC765寄存器，完成频率设置，实现用户自定义配置。

图6 单片机程序流程图Fig.6 Program flow chart of SCM

4.2.2上位机软件设计

X频段信标机需要根据任务实际，灵活配置频率。上位机软件的功能是对用户输入的频率值进行转换组帧，并通过USB口发出。

研制中为减少单片机程序编写难度，数据帧除帧头、帧尾外，数据域严格按照HMC765寄存器中频率设置单元进行编制，数据域内容由HMC765的频率转换公式直接转换产生。本文采用Delphi进行程序设计，对于USB调用采用Silicon Labs提供的USB Xpress开发包[5]，将SiUSBXp.h转为SiUSBXp.pas，配合SiUSBXp.dll动态链接库，可以方便地实现USB串行通信。程序运行界面如图7所示。

图7 主程序运行界面Fig.7 Interface of main program

5 测试验证

硬件电路与软件设计完成后，2014年择机在东海某海域释放了探空气球，对X频段信标机的信标信号质量进行了测试，径向距离14 km，下行点频8.45 GHz，在远洋测量船机房对射频频谱进行截图，如图8所示。由图可见，频谱纯度较好，信号强度为-15.8 dBm，杂波抑制度30 dBc，满足用户使用要求。

图8 测试频谱图Fig.8 Test spectrum

本文研制的X频段信标机在探月工程二期海基平台适应性跟踪中得到了实际应用，满足了用户海上无塔标校及伺服性能检查的需要，发挥了重要作用。

6 结 论

本文根据船载X频段测控设备海上无塔标校及伺服性能检查的需要，设计并研制了一款X频段信标机。该信标机以频率合成器HMC765LP6CE为射频源，通过USB总线可以完成输出频率的用户自定义。基于HFSS设计研制了贴片式高次模微带天线，实现了射频信号的有效辐射。实践证明，信标机信号质量良好，频率稳定度、准确度和杂波抑制度等指标达到设计要求，满足海基平台测控设备需求。

[1] 钟德安.航天测量船测控通信设备标校与校飞技术[M].北京:国防工业出版社,2009.

[2] Hittite Company.HMC765LP6CE data sheet[M].Massachusetts:Hittite Company,2011.

[3] 薛军,于新峰. S频段扩频信标设计与仿真[C]//2010年载人航天研讨会论文集.杭州：中国载人航天工程办公室，2010:641-643.

[4] 潘琢金.C8051F高速SOC单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[5] Silicon Labs.AN169 USBXpress programmer′s guide[M].Austin,Texas:Silicon Labs,2011.

DesignandImplementationofanX-bandBeacon

LIANG Sheng,PAN Gaofeng,XUE Jun,XIE Yong

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China)

An X-band beacon is designed and implemented to satisfy the need of phase correction and servo performance checking for shipborne X-band tracking,telemetry and command(TT&C) system. HMC765LP6CE is used as signal source by frequency synthesis technique and customized definition of transmitting frequency is realized via universal serial bus(USB).For the limitation of small area of installation platform,high-order mode micro-strip antenna is designed based on High Frequency Structure Simulator(HFSS) and simulated analysis and index optimization are completed.Finally,hardware circuit structure and software design approach for the X-band beacon are given.Test indicates that this beacon satisfies user′s requirements and has many advantages such as working well in phase-lock,easy operation and dependable performance.

X-band TT&C equipment;beacon design;direct frequency synthesis;micro-strip antenna

date:2016-11-25；Revised date：2017-04-11

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.09.019

梁盛，潘高峰，薛军，等.X频段信标机的设计与实现[J].电讯技术，2017,57(9):1088-1091.[LIANG Sheng,PAN Gaofeng,XUE Jun,et al.Design and implementation of an X-band beacon[J].Telecommunication Engineering,2017,57(9):1088-1091.]

TN836

：A

：1001-893X(2017)09-1088-04

梁盛(1985—)，男，江苏扬州人，2011年获硕士学位，现为工程师，主要从事航天测控总体技术方面研究；

Email：murongxd@163.com

潘高峰(1972—)，男，辽宁锦州人，1995年获学士学位，现为高级工程师，主要从事智能仪器、自动测试系统方面研究；

Email:pgfzhy@163.com

薛军(1971—)，男，内蒙包头人，2002年获硕士学位，现为高级工程师，主要从事航天测控总体技术方面研究；

谢勇(1972—)，男，江西余江人，2004年获硕士学位，现为高级工程师，主要从事航天测控总体技术方面研究。

2016-11-25；

：2017-04-11

**通信作者：pgfzhy@163.com Corresponding author：pgfzhy@163.com