射频制导半实物仿真专用毫米波变频组件设计✴

张兴利，马逸超，吴自禄（1.航空制导武器航空科技重点实验室，河南洛阳471009；2.中国空空导弹研究院，河南洛阳471009）

射频制导半实物仿真专用毫米波变频组件设计✴

张兴利1，2，马逸超1，2，吴自禄1，2
（1.航空制导武器航空科技重点实验室，河南洛阳471009；2.中国空空导弹研究院，河南洛阳471009）

为了扩展射频制导半实物仿真系统的工作频带，设计了一种半实物仿真专用变频组件，采用具有公共参考源的二次变频方案。关键器件包括微波锁相倍频源、微波基波和谐波混频器、毫米波放大器。经测试，该组件幅度和相位的稳定性高，动态范围大，频谱特性好，能满足仿真应用需求。关键词：导弹制导系统；半实物仿真；毫米波；变频组件

1 引言

射频制导半实物仿真系统能够模拟导弹在空中飞行过程中的姿态、位置变化，实现目标回波信号的距离延迟、幅度和多普勒频率以及角位置关系等特征的复现［1］，用于评估导弹在攻击目标过程中制导系统的性能及其抗干扰能力。随着导弹系统复杂度日益提高，半实物仿真在导弹研制过程中发挥的作用也更加重要，其在导弹制导系统性能评估、系统参数调试与验证、飞行试验结果预测与故障复现等方面有着不可替代的作用。

毫米波导引头在导弹制导方面得到了广泛应用，并显示出很强的发展势头［2］。鉴于半实物仿真技术在导弹研制中发挥着不可替代的作用，因此开展毫米波制导半实物仿真技术研究意义重大。但是新建毫米波目标仿真设备经费投入巨大，建设周期也较长。如果在现有仿真系统的基础上改造，使之可以适应多种型号、多个频段的导弹仿真需求，不但最大限度地利用了现有仿真系统，而且节约了大量时间和经费，意义重大。为此，开展仿真专用毫米波变频组件设计和研制具有很强的实用价值。

由于半实物仿真系统中阵列式射频目标模拟器对信号的幅相稳定性要求较高，且仿真过程中幅度动态范围较大，因此仿真专用毫米波变频组件的特点是要在进行毫米波和微波频段上下变频的同时保持各通道信号的相参性、幅相稳定性以及大的动态范围。

2 变频组件设计

2.1 系统组成

毫米波上下变频组件与现有的微波频段仿真设备构成一套变频式毫米波目标模拟系统，由下变频组件将导引头产生的毫米波信号变频至微波频段，然后利用现有的微波频段半实物仿真设备（包括信号源、馈电、开关等）对其进行处理，处理后输出至上变频组件，上变频至毫米波频段，输出至天线，完成毫米波仿真信号处理过程的原理试验。采用变频组件的目标模拟系统如图1所示。

上变频和下变频的工作原理基本相同，都是利用非线性元件的频率变换作用，只是两者工作过程刚好相反，因此本文重点论述上变频器。

2.2 方案设计与选择

仿真专用毫米波变频组件的任务是将原微波频段目标模拟器处理后的微波频段信号扩展到毫米波频段，同时保持各通道信号的相参性。上变频方式有直接倍频、一次变频和二次变频方案等设计思路。

在直接倍频方案中，由于倍频器输出的信号功率很难满足动态范围要求，所以要用毫米波放大器对毫米波信号功率进行补偿。为了实现高的动态，势必造成系统组成复杂，实现困难，因此放弃直接倍频方案。

在一次变频方案中，从微波频段直接变频至毫米波频段，可以采用低本振和高本振两种变频方式。但由于采用高本振方式不但难度非常大，而且目前国内不具备该频段器件的生产和测试能力，所以只有低本振方案有一定合理性。但是低本振方案存在着中频过高的问题，中频信号与本振频率非常接近，LO／IF隔离度无法保证，同时三阶交调非常严重，可见该系统方案不可行。

因此综合考虑动态范围、高中频上变频、各通道相参性等因素，最终决定采用使用公共参考源的二次变频方案。

该方案中先将微波频段信号混频至S频段，滤波放大后，经过毫米波谐波混频器将其上变频到毫米波频段，这样可以解决中频过高的问题。采用混频方案可以克服倍频方案中动态范围不够的问题，原理简单，而且各部件的设计方法比较成熟，系统组建较为简单，可以实现对原系统的透明扩展。图2所示为二次变频方案示意图。

2.3 关键技术

根据上述选择的二次变频设计方案，关键技术和器件包括微波锁相倍频源（PLDRO）、微波基波和谐波混频器、毫米波放大器。

2.3.1 微波锁相倍频源

本设计中要求变频过程中要有较低的相位噪声，所以采用高品质恒温晶体振荡器为各微波信号源提供参考，保证其近端相位噪声，同时采用DRO

（介质振荡器）作为锁相源的压控振荡器，利用其优良的远端相位噪声，并且采用比较成熟的性能较好的锁相环芯片，适当选取环路带宽和鉴相速度，实现相位噪声性能优良的微波锁相源。

DRO是介质谐振振荡器（Dielectric Resonator Voltage Controlled Oscillator，DRVCO）的简称，其原理是利用微波介质谐振器作为高Q腔，对FET振荡器进行稳频的振荡器。DRO原理如图3所示。

虽然DRO有相位噪声的优势，但是单独的DRVCO频稳度只能达到10-5～10-6，所以必须采用锁相环对其进行稳频，即采用锁相环的DRO（PLDRO）。每个变频模块需要两个PLDRO（锁相介质振荡器），其原理相同。

锁相稳频的方法主要包括分频锁相和取样锁相两种，本系统采用分频锁相实现。

2.3.2 微波混频器

本组件中包括微波基波混频器和毫米波谐波混频器，为保证系统的可靠性和一致性，采用双平衡混频器。双平衡混频器原理图及其输出等效电路［4］如图4所示。

双平衡混频器有很高的端口隔离度，平衡度很好，工作频带宽，比单平衡混频器有更好的线性度［5］。双平衡混频器的输出电流频谱含量与单平衡混频器相比少很多。此外，双平衡混频器的动态范围比单平衡混频器的大3 dB，比单端混频器大6 dB。双平衡混频器输出端的噪声能抵消本振引入噪声所产生的中频噪声。

2.3.3 毫米波放大器

由于毫米波谐波混频器变频损耗较大，而受到混频器件饱和点的限制，无法在混频前对信号进行补偿，所以只能在二次变频后进行功率损失补偿。通过对各种设计方案优缺点比较，并结合目前的技术，最终采用HEMT MMIC低噪声放大器件，其性能能满足系统的设计要求。由于毫米波放大器的实现难度较大，采用分立元件管芯实现没有可靠的工艺保障，所以采用较为可靠的MMIC电路来实现。

2.4 对变频模块的参考源稳定度的考虑

系统将微波信号混频至S频段，滤波放大后，经过毫米波谐波混频器将其上变频到毫米波频段。为了保证参考源功率分配后的各路信号的相位关系，最好使参考源传播的电长度尽量一致。设参考源的短期频率稳定度指标为ε，参考源激励的系统中频率最高毫米波源频率为fh，则由参考源的指标可以计算出此时的毫米波源单位时间频率波动，如公式（1）所示：

式中，Δf为参考源的波动使毫米波源在单位时间内产生的频率波动，fmmw为毫米波源的输出频率，ε为参考源的短期频率稳定度。

系统要求各支路产生的相位关系波动Δφ不超过±5°，所以必须建立相位波动关系才能满足相位波动要求。相位波动关系公式为

式中，Δf为参考源的波动使毫米波源在单位时间内产生的频率波动，Δτ为不同支路参考源的电长度差造成的时间延迟差。

计算结果要求满足公式（3）：

当Δτ=100 ns，也就是不同支路参考源传输距离差为30 m时，参考源的频稳度要好于10-13／100 ns数量级。如果Δτ=1 s，则需要10-13／s数量级的参考源。

变频组件的主要问题来自于毫米波源的近端相位噪声。由于系统中存在放大、倍频、混频等环节，使得最终毫米波信号相位将会比参考源有一定的恶化，对应频率为fh的毫米波源，由载波和闪烁噪声为主要因素的近端相位噪声对系统的各支路相位影响很大，所以要采用近端（Hz级）相位噪声指标非常好的基准源作为参考。其相位噪声指标要求绝大部分相位噪声功率集中在距离载波1／36 Hz之内，则10 MHz参考源要求达到-150 dBc／Hz＠1kHz以上。本设计中采用高稳定度的两个PLDRO（两个本振源共用一个高稳定度的10 MHz参考源，相位噪声为-155 dBc／Hz＠1kHz）分别产生的本振信号经功分后供给上下变频器，这样两个本振源的相位相参，下变频器与上变频器的相位也相参，更好地解决了相位稳定的问题。

3 测试结果

设计完毕后，对变频组件进行了测试。经测试，上下变频组件能达到的技术指标为：动态范围90 dB，幅度稳定度小于±0.3 dB／4 h，相位稳定度小于±5°／4 h。

而采用变频方式构建的毫米波目标模拟系统目标位置合成精度较高，测试结果验证了仿真专用毫米波变频技术在毫米波目标仿真系统中应用的可行性。同时还进行了多目标频谱特性的测试，测试结果表明变频组件的多目标频谱特性良好。图5为4目标频谱测试结果图。

4 结论

本文提出了采用上下变频器构建目标模拟系统的思路，此思路也符合国际上毫米波仿真技术发展方向。该项技术的研究成功，不仅为毫米波目标信号模拟器的研制提供了简洁的解决方法，也为以后其他雷达型号半实物仿真目标信号模拟器的研制开拓了思路。今后，该项研究应朝着进一步提高毫米波上下变频组件稳定度和目标位置合成精度的方向努力。

［1］宋李斌，程冰.宽带射频阵列式目标仿真系统的实时控制设计［J］.电子工程师，2004，30（8）：1-5. SONG Li-bin，CHENG Bing.Real-time Control of Broadband RF Targets Simulating System Realized by Arrays［J］. Electronic Engineer，2004，30（8）：1-5.（in Chinese）

［2］李王真.战术导弹导引头技术及毫米波制导的发展趋势［J］.科技信息，2010（9）：40-41. LI Tian.Development Trends of Seeker Technique of Tactical Missile＆millimeter guidance［J］.Science＆Technology Information，2010（9）：40-41.（in Chinese）

［3］黄智伟.锁相环与频率合成器电路设计［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2008. HUANG Zhi-wei.Electronic Circuits Design of PLL and Frequency Synthesizer［M］.Xi′an：Xidian University Press，2008.（in Chinese）

［4］朱明.微波电路［M］.长沙：国防科技大学出版社，1994. ZHU Ming.Microwave Circuit［M］.Changsha：National Defense Science＆Techology Press，1994.（in Chinese）

［5］胡东，李东生.Ka频段双平衡星型混频器的设计与仿真［J］.舰船电子对抗，2009，32（3）：113-117. HU Dong，LI Dong-sheng.Design and Simulation of Kaband Duplex Balance Star Mixer［J］.Shipboard Electronic Countermeasure，2009，32（3）：113-117.（in Chinese）

ZHANG Xing-li was born in Shijiazhuang，Hebei Province，in 1979.He received the B.S.degree in 2002.He is now an engineer. His research concerns missile guidance system hardware-in-loop simulation.

Email：boynotear＠163.com

马逸超（1982—），男，陕西延安人，工程师，主要从事射频制导仿真技术研究；

MA Yi-chao was born in Yan′an，Shaanxi Province，in 1982. He is now an engineer.His research concerns RF guidance simulation technology.

吴自禄（1981—），男，河南信阳人，工程师，主要从事射频制导仿真技术研究。

WU Zi-lu was born in Xinyang，Henan Province，in 1981.He is now an engineer.His research concerns RF guidance simulation technology.

Design of MMW Frequency Conversion Module
for RF Guided Hardware-in-loop Simulation System

ZHANG Xing-li1，2，MA Yi-chao1，2，WU Zi-lu1，2
（1.Key Laboratory of Aviation Science for Airborne Guided Weapons，Luoyang 471009，China；2.China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China）

In order to extend the frequency band of radio frequency（RF）guided hardware-in-loop simulation（HILS）system，a specific frequency converter for HILS is designed that uses secondary frequency conversion scheme with a public reference source.The key components ofthe module include microwave phase-lock oscillator，fundamental wave mixer and harmonic mixers，millimeter-wave（MMW）amplifiers.Testresultindicates thatthe module has high amplitude and phase stability，wide dynamic range，and good spectral properties，therefore it meets the simulation requirement.

missile guidance system；HILS；MMW；frequency conversion module

TN773.4

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.020

张兴利（1979—），男，河北石家庄人，2002年获工学学士学位，现为工程师，主要从事导弹制导系统半实物仿真技术研究；

1001-893X（2012）02-0216-04

2011-09-30；

2011-12-19