一种微波下变频链路的实现方法研究

易 磊 严宜强

(中国空空导弹研究院 河南 洛阳 471009)

0 引言

音频信号主要分布在20Hz～20kHz频率段，电视视频变成无线电信号占用不到2MHz频率，雷达目标特征只需几十兆赫兹频率即可描述。无线传输音频、视频信号则需几兆、几十兆赫兹的信号作为载波，而制导雷达一般选择500MHz以上的频率工作，部分毫米波雷达的工作频率可以达到40GHz甚至更高[1]，要得到载波中有用的信息，通常采用下变频的方式将载波频率搬移到中频，然后对中频信号进行处理，获取目标信息。

雷达目标模拟器的主要功能是为雷达导引头提供目标回波源，用以在半实物仿真中验证雷达型制导武器系统的性能。目标模拟器系统前端射频部分的主要功能是接收侦查射频信号，然后进行下变频，变至中频信号以便进行高速采样与后续处理，一般通过下变频链路来实现[2-3]。

下变频链路信号的质量直接关系着目标模拟器输出回波信号的质量，需要综合考虑下变频过程中对射频信号的频率、杂散、相噪等参数的影响。本文介绍了一种微波下变频链路的实现方法，较好地解决了微波信号下变频过程中杂散与相噪控制的难题，为后续信号处理提供了杂散较低、相噪较好的中频信号，且系统自身具有较宽的动态范围和较高的瞬时带宽。

1 设计思想

1.1 概述

微波下变频链路的原理图如图1所示，接收到的(2～18)GHz射频信号，经过开关选择、衰减、低噪声放大(LNA)等处理，进入混频器中进行三级混频后变成(0.1～1.1)GHz的中频信号，提供给后续单元进行信号采集与处理。输入信号为一路射频信号(需要变频的信号)，三路本振信号(其中的第一路本振信号为捷变频本振，另外2路本振为固定26GHz、3.6GHz本振信号)。

下变频输入信号功率范围为(-50～10)dBm，下变频链路包含有64dB动态范围的射频数控衰减器和25dB增益的前置放大器。单级程控衰减器具备11bit控制分辨率，程控步进0.03dB，通过标定很容易实现0.5dB的衰减精度，前端整体可以满足60dB左右的输入动态要求。下变频的中频带通滤波器带宽为1GHz，捷变频频综频率步进10MHz，整个系统能够达到1GHz瞬时带宽的设计要求。

1.2 测频技术

测频模块对输入信号进行频率测量，用以确定捷变频模块的输出频率。测频模块需要对信号进行处理才能完成测频，其主要由前端射频和后端数字处理两部分组成：前端射频部分完成信号的功分、放大、延迟和模拟鉴相；后端数字处理部分主要完成测频值解模糊查表。

前端射频模块原理如图2所示，前端射频模块将(2～18)GHz的射频信号放大后，功分为8路射频信号，4路为IQ混频器的LO端信号，另4路为IQ混频器的RF端信号，分别经过4个IQ混频器正交解调，输出8路IQ视频信号。

数字处理部分如图3所示，AD采样后分别对3个通道进行鉴相、温度校正、1:4:16:64校码及拼接后，产生12位频率码和相关状态码，再根据固定公式计算得到频率值，根据这个频率值对捷变频模块输出频率进行控制。

1.3 多级混频技术

变频模块是整个微波链路的核心模块，变频方案的选择，一般有单次变频和多级变频两种。单次变频结构简单，但抑制镜像频率的能力较差，多级变频具有接收灵敏度高、选频特性好、抑制镜像频率能力强的特点，对于宽带射频输入信号而言，选择多级变频的方式更加适合[4]。下变频的具体实现方法如图1所示，通过三级变频来实现从(2～18)GHz射频信号至(0.1～1.1)GHz中频信号的频率搬移，首先输入的(2～18)GHz信号和(25～41)GHz的本振进行混频，变频至(23±0.5)GHz，此时微波链路的信息就已经包含在这个点频上，该中频信号与26GHz本振再次混频至(3±0.5)GHz，输出的中频信号再次与3.6GHz的本振混频，最终得到(0.1～1.1)GHz的中频信号。下变频频率对照表如表1所示。

表1 下变频频率对照表 (单位：GHz)

1.4 参考源模块

当两个信号混频，如果一个信号相对另一个信号相噪指标高出10dB以上时，输出信号的相噪取决于其中相噪指标较差的那个信号。下变频过程中经过了多次混频，本振信号的相噪直接决定了输出信号的相噪，而本振信号的相噪是由参考源模块的性能决定的。

参考源模块原理图如图4所示，参考源模块为整个系统提供时钟基础，独立工作时锁定到频综内部100MHz晶振，以保证频综的相参性，也可以锁相至外部参考信号，能够使得校准系统与被校模拟源相参。参考源模块为(2～18)GHz变频系统提供需要的点频本振；还需要为数字板卡提供2.4GHz采样时钟；此外还需要配备1路低相噪100MHz输出同步信号，此信号用于多个微波频率源之间进行同步使用。

对于3.6GHz点频源，其输出信号相噪优于-105dBc/Hz@1kHz；对于26GHz点频源，其输出信号相噪优于-100dBc/Hz@1kHz；对于捷变频频综，由于被校准系统的输出信号会随时跳变，所以采用基于DDS和PLL相结合的混合式频率合成方案，兼顾快速的频率切换时间和系统的低相噪要求[5-6]，捷变频频综内部的100MHz恒温晶振同步信号，其相噪指标可达-155dBc/Hz@1kHz，通过选取低噪声分频器与鉴相器，并优化锁相环路设计，使得捷变频频综最终输出信号的相噪指标优于-95dBc/Hz@1kHz，从而确保了整个下变频链路的相噪满足指标要求。

2 验证试验

这里给出了某雷达目标模拟器校准系统中下变频模块，实测所能够达到技术指标如下：

1)射频频率范围：(2～18)GHz；

2)中频频率范围：(0.1～1.1)GHz；

3)瞬时信号带宽：1GHz；

4)频综跳频速度：≤120ns；

5)频综步进：10MHz；

6)射频接收功率：(-50～10)dBm；

7)下变频输出信号杂散：≤-60dBc；

8)下变频输出信号相噪：-90dBc@1kHz，-95dBc@10kHz。

3 结束语

本文论述了在综合考虑微波下变频链路技术要求的基础上，设计并实现了一种微波下变频链路。在由射频信号向中频信号转换的过程中，满足了输入信号大动态范围和高处理带宽的要求，实现了低相噪、低杂散中频信号的输出。