朱偉峰　葛新靈　趙健鵬

【摘 要】本文主要介紹了一種干涉儀比相法瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，首先介紹了干涉儀比相法瞬時(shí)測(cè)頻的基本工作原理，并給出了具體實(shí)現(xiàn)電路及實(shí)際測(cè)試結(jié)果，并對(duì)測(cè)頻誤差進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】瞬時(shí)測(cè)頻；比相法；測(cè)頻誤差

0 前言

一講到對(duì)信號(hào)頻率的測(cè)量，人們自然就想到利用具有窄帶中頻特性的外差式接收機(jī)搜索測(cè)頻，外差式接收機(jī)的技術(shù)特色是把頻帶較寬的高頻信號(hào)變換到固定的、窄帶的中頻信號(hào)。然而，由于外差式接收機(jī)測(cè)頻需要通過(guò)掃描本振搜索信號(hào)，如果信號(hào)存在的時(shí)間很短，接收機(jī)可能來(lái)不及截獲信號(hào)，當(dāng)然也就無(wú)法測(cè)出信號(hào)的頻率，因此外差接收機(jī)測(cè)頻不是瞬時(shí)測(cè)頻體制。

瞬時(shí)測(cè)頻要求是寬開(kāi)，即接收機(jī)不能在頻域上搜索，在規(guī)定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)首先必須在短時(shí)間進(jìn)入接收機(jī)。瞬時(shí)測(cè)頻常采用的方法包括信道法、鑒頻法、干涉儀比相法等，本文介紹的瞬時(shí)測(cè)頻組件采用了干涉儀比相法，具有相對(duì)簡(jiǎn)單且測(cè)頻靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。

1 工作原理

干涉儀比相法瞬時(shí)測(cè)頻的基本思想是將頻率信息轉(zhuǎn)換成相位信息，再根據(jù)相位推算信號(hào)的頻率。將頻率信息轉(zhuǎn)換成相位信息可以通過(guò)讓信號(hào)分別通過(guò)不同長(zhǎng)度傳輸線(xiàn)獲得，此時(shí)兩路信號(hào)的相位差正比于頻率和兩條傳輸線(xiàn)的電長(zhǎng)度差?？梢杂孟率奖磉_(dá)：

ΔΦ=（2πl(wèi)/c）f（1）

由于相位不便于直接測(cè)量，需要轉(zhuǎn)化為幅度信息，鑒相器（干涉儀）就是將相位差轉(zhuǎn)化成幅度的部件。同時(shí)為了消除輸入信號(hào)功率對(duì)鑒相器輸出的影響，需要使用兩個(gè)鑒相器進(jìn)行正交鑒相。其工作原理如圖1所示，兩路輸出分別為D1=AsinΔΦ、D2=AcosΔΦ。不難得出相位差信息，即：

ΔΦ=arctan（D1/D2）（2）

圖 1 干涉儀比相法瞬時(shí)測(cè)頻原理

一般正交鑒相器生成正弦、余弦變化的信號(hào)后，工程實(shí)現(xiàn)上很少直接按式（2）求反三角函數(shù)，可以首先分別進(jìn)行A/D采樣量化處理，并對(duì)量化結(jié)果按照一定的規(guī)則進(jìn)行編碼，最后將二進(jìn)制頻率信息碼輸出。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

A.主要設(shè)計(jì)考慮

測(cè)頻精度：為了在較寬的頻帶內(nèi)獲得較高的測(cè)頻精度，必須采用較長(zhǎng)的相移線(xiàn)來(lái)獲得更大的頻相轉(zhuǎn)換比率，這樣在整個(gè)帶寬內(nèi)必然會(huì)引起相位信息的重復(fù)，即造成測(cè)頻模糊問(wèn)題，須采用長(zhǎng)短基線(xiàn)的方法解決，短基線(xiàn)在被測(cè)頻率范圍內(nèi)具有引起的相移是唯一的，長(zhǎng)基線(xiàn)提供了較高的頻相轉(zhuǎn)換比率從而保證測(cè)頻的精度，根據(jù)頻率的帶寬、要求的精度等因素可以確定長(zhǎng)短基線(xiàn)的數(shù)量。

瞬時(shí)測(cè)頻組件測(cè)頻精度影響因素：干涉儀的數(shù)量、進(jìn)制關(guān)系、鑒相誤差等。其中鑒相誤差是干涉儀數(shù)量與進(jìn)制關(guān)系確定的重要因素，鑒相誤差的主要來(lái)源可以分為三個(gè)部分：頻相轉(zhuǎn)換、信號(hào)干涉及取出干涉結(jié)果時(shí)引入的相位誤差。

頻相轉(zhuǎn)換部分電路移入的相位誤差主要由功分器不平衡（1度）和電路不匹配（相位誤差的計(jì)算公式如下）造成。

Δ≤arcsin（8x■）

x=■（3）

由（3）式可以計(jì)算出：當(dāng)駐波比小于1.3，相位誤差一般小于5度。

信號(hào)干涉時(shí)引入的相位誤差主要來(lái)自I/Q鑒相電路的不平衡性，對(duì)于目前較為成熟的I/Q鑒相器一般相位不平衡性約3度。

取出干涉結(jié)果時(shí)引入的相位誤差主要由ADC電路部分采樣的分辨率有關(guān)，由此帶來(lái)的相位誤差和上述兩個(gè)方面相比可以忽略。綜合上述分析，單個(gè)測(cè)頻單元的相位誤差約9度，這就要求在一個(gè)周期（360度）內(nèi)最多分區(qū)個(gè)數(shù)不能超過(guò)40個(gè)，考慮到設(shè)計(jì)裕度，本設(shè)計(jì)低位碼采用32個(gè)區(qū)間，同時(shí)長(zhǎng)基線(xiàn)在被測(cè)頻率范圍內(nèi)（f1～f2，帶寬800MHz）共形成5個(gè)周期，即共160個(gè)區(qū)間，最小測(cè)試頻率（測(cè)頻精度）為Δf=800MHz/160=5MHz。

測(cè)頻靈敏度：測(cè)頻靈敏度主要取決于測(cè)頻組件的噪聲系數(shù)及信號(hào)處理帶寬。相對(duì)于單通道的接收組件，多通道組件在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮多通道功分電路引入的損耗，組件前端設(shè)計(jì)了50dB高增益低噪聲限幅放大器以降低后端電路損耗引入噪聲以及及被測(cè)信號(hào)幅度變化帶來(lái)的影響，同時(shí)設(shè)計(jì)高性能帶通濾波器以便濾除帶外噪聲，達(dá)到提升靈敏度的目的。信號(hào)處理帶寬越窄測(cè)頻靈敏度越高，但同時(shí)亦會(huì)降低瞬時(shí)測(cè)頻速度，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮兩方面因素，信號(hào)處理帶寬選擇為10MHz。

B.組件的組成與電路設(shè)計(jì)

本文提出的瞬時(shí)測(cè)頻組件組成主要包括：限幅放大濾波電路、功率分配電路、相移網(wǎng)絡(luò)、AD采樣及編碼電路等。組成框圖如圖2所示。

限幅放大濾波電路采用了高增益約50dB低噪聲放大器與微帶平行耦合線(xiàn)帶通濾波器實(shí)現(xiàn)，很好的保證了組件的噪聲系數(shù)特性及帶外雜散信號(hào)的濾除。

圖2 比相法瞬時(shí)測(cè)頻組件的組成

瞬時(shí)測(cè)頻中一個(gè)很關(guān)鍵的組成部分是相移網(wǎng)絡(luò)，它完成頻率信息到相位信息的轉(zhuǎn)換，是設(shè)計(jì)時(shí)必須重點(diǎn)考慮的。為了在要求測(cè)試頻帶內(nèi)獲得較高的測(cè)頻精度，必須采用足夠大的頻相轉(zhuǎn)換比，需要使用長(zhǎng)基線(xiàn)；同時(shí)為了消除測(cè)頻結(jié)果的多值性，需要使用短基線(xiàn)。經(jīng)對(duì)測(cè)頻誤差的要求、實(shí)際電路的相位一致性等多種因素綜合考慮，本組件采用了兩個(gè)基本干涉儀測(cè)頻單元實(shí)現(xiàn)，并對(duì)長(zhǎng)、短基線(xiàn)相移網(wǎng)絡(luò)電路特性進(jìn)行仿真計(jì)算。

3 測(cè)試結(jié)果與誤差分析

經(jīng)過(guò)對(duì)瞬時(shí)測(cè)頻組件的測(cè)試，組件測(cè)頻靈敏度達(dá)到-75dBm，測(cè)頻精度為5MHz，測(cè)頻速度小于100ns。同時(shí)對(duì)組件高低溫下的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，在高溫時(shí)輸入信號(hào)為-75dBm時(shí)，部分頻率測(cè)頻誤差略有惡化，約為8MHz，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

分析：由圖3可以看出，在射頻信號(hào)輸入功率-75dBm時(shí)，測(cè)頻誤差基本上在5MHz以?xún)?nèi)，部分頻率點(diǎn)高溫下誤差超過(guò)8MHz，分析其中原因：一是，I/Q鑒相器本振功率高溫下變小，造成鑒相器損耗增加，可以通過(guò)提高本振輸出功率解決；二是，存在干擾信號(hào)，包括射頻以及數(shù)字電路部分，通過(guò)增加濾波電路、屏蔽，將數(shù)字電路與模擬電路隔離解決。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Laizhao Hu. Instantaneous Frequency Measurement[M]. Beijing： National Defence Industry Press， 2002.

[2]Colin Sinclair. A Coplanar Waveguid 6-18GHz Instantaneous Frequency Measurement Unit for Electronic Warfare Systems[J]. IEEE MTT-S， 1994 Page（s）：1767-1770.

[3]Raghu Mulagada， Thomas P. Weldon. A Delay Line Discriminator for IFM Using a Left-Hhanded Delay Line[J]. IEEE， 2010： 185-188.