L波段多路模拟正交解调组件的研制

袁同力（华东电子工程研究所，安徽合肥，230088）



L波段多路模拟正交解调组件的研制

袁同力
（华东电子工程研究所，安徽合肥，230088）

摘 要：雷达系统中，正交解调能够获取信号幅度信息和相位信息，它的指标对雷达系统具有重要影响。本文分析了模拟正交解调的原理，通过对电路几个构成部分的分析，得出了影响指标的各主要因素。在L波段多路模拟正交解调组件研制中，针对这些问题，进行了正交解调器件的特性分析、低通滤波器幅相一致性设计和视频放大电路设计；分析了电路设计中的匹配问题；阐述了版图的设计思路，并给出了组件的测试数据，结果及性能在工程中得到验证。

关键词：正交解调 ； 低通滤波 ；线性放大

引言

在现代雷达中，接收机所获得的信号，需要提取幅度信息和相位信息。正交解调保留了信号幅度和相位信息，为系统提供最大的相干性，提高了系统信号处理增益，同时解决单个相位检波器存在的盲相和无法识别目标多普勒速度方向的问题。解调可以采用模拟解调的方法，也可以采用数字解调的方法。模拟正交解调可以处理较宽的基带带宽，采样率要求低，功耗也比较低，在雷达信号处理中有很广泛的应用［1，2］。

1 正交解调器的原理分析

模拟正交解调又称为零中频处理，因为相干本振的频率与中频信号的中心频率相等，差频为零。模拟正交解调的原理框图如图1所示。

图1 模拟正交解调基本原理框图

上图中，输入信号是中频信号，它可以表示为：

式（1）中a（t）为信号的幅度调制函数，φ（t）是相位调制函数， （幅度和相位调制函数）ωi相比都是时间的慢变函数，信号可以表示为：

上式中，u（t）=a（t）ejφ（t）是复调制函数，它具有信号S（t）的全部信息。假设φ（t）=ωdt （在雷达中，多普勒频率通常为中频信号和相干信号的频差），中频附加的多普勒频率可以由函数u（t）=a（t）ejωdt表示。频率的正负值可以从复函数的实数部分和虚数部分的相互关系中判断。

信号S（t）乘以复函数e-jωit就可以把复函数u（t）单独提取出，获得中频信号所含有的全部信息量：

通过低通滤波后取出其复函数u（t）而滤去高次项u*（t）e-j2ωit。

上式表示需要对中频信号进行两路正交处理，其中基准cosωit和一路信号进行相干检波，得到同相支路I，即a（t）cosφ（t）；基准sinωit和另一路信号进行相干检波，得到正交支路Q，可以表示为a（t）sinφ（t）。sinωit和cosωit相差90°。振幅函数，比较I、Q两支路的相对值即可判断出多普勒频率fd的正负值。

2 L波段多路正交解调组件的组成框图

本文研制的组件有3路中频输入信号，其中一路是宽带信号，中频带宽700MHz，两路是窄带信号，中频带宽80MHz。L波段正交解调电路组成框图如下页图2所示。AGC的范围是30dB，用来提高输入信号的动态范围，信号放大后进行正交解调，解调后的视频信号分别进行滤波和放大，使其幅度满足数字采集电路的动态要求。

正交解调组件主要指标是视频输出I、Q信号的幅相关系：即幅度的一致性和相位的正交性，理想的情况是I信号和Q信号的幅度完全一致，相位正交，输出P-1满足系统动态的需要。实际上很难实现I、Q两通道间的良好平衡。图2组成框图的每部分都会影响到I、Q信号的幅相关系。

从框图上可以看到，有以下三个主要因素影响它的指标：

（1）正交解调部分

（2）低通滤波器的指标

（3）视频放大部分的设计

图2 L波段正交解调电路组成框图

3 关键电路的设计

3.1 正交解调部分的设计

图3 正交解调部分框图

解调器件指标典型值：

· 中频频率：L波段

· 视频带宽：DC---500MHz

· 插入损耗：6dB

· LO到IF之间的隔离度：43 dB

· 相位不正交度：3度

· 幅度不一致性：0.3 dB

· P-1输入4dBm

图3为正交解调部分框图。混频器是非线性器件，它的输出有两种主要形式的失真产物：单音交调信号和双音交调信号。单音交调是混频器本振信号及其谐波对中频信号及其谐波组合的结果，这需要根据工作频率选择满足要求的器件。

表1 单音交调输出抑制数据（单位dBc）

根据表1单音交调输出抑制的数据，低阶的单音交调通过后面的低通滤波器可以滤除，高阶的抑制度可以满足要求。

双音交调是输入端有两个信号同时加入的结果，这两个信号互相组合，按（2RF2±RF1）±LO或（2RF1±RF2）±LO与本振信号组合，它们的振幅比较大也很难用滤波器滤除。双音交调的输出与输入信号的幅度的立方成正比，又叫双音三阶交调，这表明输入变化10dB，输出就变化30dB。

图4 IM3、IIP3、OIP3、G、P1dB等指标之间的关系图

图5 低通滤波器模型图

图4表示了各指标之间的关系。现在我们已知器件所用混频器P-1输入为4dBm，一般输入三阶交叉点IIP3比P-1输入高10～15dB，如取10 dB，则IIP3为14 dBm，A为输出信号与三阶互调的差值。如果输入解调器的信号幅度选取为-10dBm，进入混频的信号幅度为-13dBm。

即输出信号比三阶交调大54dB，满足使用的要求。所以在电路设计中，我们可以根据抑制的需要合理分配前级的增益。

3.2 滤波电路的设计

混频过程中会产生交调分量和高次谐波，相干本振也会泄露载输出端，因此混频后必须有滤波器对它们进行抑制，理想的滤波器带外抑制高，插损小。两只滤波器的幅相一致性指标也很关键，直接影响输出I、Q的幅相一致性指标，同时滤波器带内要具有良好的相位线性特性。

从以上要求中可以看出，带内插损、带外抑制和带内相位线性等特性需要同时兼顾，如果按常规低通设计的话，这些指标会出现冲突。根据计算，如果保证带内插损1.2dB，则610MHz抑制只能达到约40dB左右，远端不能满足要求，同时非线性相位（350MHz以内）无法达到，故通过以上指标的分析，选用模型如图5所示。

模型采用切比雪夫和椭圆函数的融合计算，这样做既可以保证插损和抑制，同时在带外有少许余量，可以调节非线性相位。

根据模型计算，仿真出传输特性如图6所示。

图6 低通滤波器传输特性

滤波器的幅度一致性、相位一致性的要求都非常高，必须保证元件值的筛选仔细配对，装配方法等工艺环节保持高度一致。指标要求如下所示：

· 带内平坦度＜0.2dB

· 相位一致性＜0.5°（两只之间，350MHz以内）

· 幅度一致性＜0.2dB（两只之间，350MHz以内）

3.3 放大部分的设计

视频放大部分我们采用的是TI 公司的一款运放THS3201，它是一款低噪声、电流反馈型运放，其主要指标如下：

· 固定增益带宽 1.8GHz

· 压摆率 6700V/µ s

运放的失调电压会造成直流漂移和输出饱和，这些都会严重影响正交解调电路的正交度。零点漂移是由温度变化引起的。第一级放大器的静态工作点会由于温度的变化发生微小的变化量，而这种变化量会被后面的电路逐级放大，这样输出端就会有较大的电压漂移，如图7所示。

图7 直流耦合运算放大器的零漂现象

放大电路中存在直流漂移，从而影响正交度，使用隔直电容可以隔去直流漂移，但它会引起频率失真，也使得正常解调得到的直流信号无法采集，所以本文设计了具备调零功能的运算放大电路。

视放电路单元调零示意图如图8所示， R4、R5、R6组成的电阻网络，通过调整R4和R5的阻值可以实现在线调零，消除零漂的影响。

从运放的电特性表中可以看到，其同相输入端的输入阻抗为11Ω，反相输入端的阻抗为780kΩ，所以如上连接时，在输入端接电阻R1实现输入端的阻抗匹配，THS3201的输出阻抗为0.01Ω，所以在输出端串接电阻R7以实现和后级电路的阻抗匹配。

图8 运算放大器的调零电路

3.4 版图设计和工艺实现

要保证输出的I、Q信号幅度的一致性和相位的正交一致性，除了需要从上面的3方面电路设计还要注意版图设计、加工、工艺和装配等方面的影响

为了减小尺寸，我们采用多层板的设计，布版时要注意电源层、地层、信号层的安排，各走线层的走线方向等，这些都会影响信号的传输。元器件布局时要避免通道间的相互影响和微带传输线间的相互耦合，在通道之间加隔筋隔开，从空间上进行隔离，提高通道间的隔离。在解调器件输出视频信号以后的版图设计中严格遵循等长的原则，对称布局，同时保证加工精度，避免加工过程对相位关系可能的影响。在各器件的电源管脚放置足够和适当的去耦合电容以滤除干扰和噪声，特别注意电容的频率响应与温度的特性要符合设计需要。

4 组件测试结果

· 一路宽带IF输入信号频率：

1800MHz±350MHz

· 两路窄带IF输入信号频率：

1800MHz±40MHz

· 本振频率为：1800MHz

· 本振输入功率为：+8dBm

· 最大视频带宽为：DC-350MHz

· I、Q输出幅度不平衡度为：

· I、Q输出相位不正交度为：

5 结束语

本文介绍了L波段多路正交解调组件的设计方法。通过对器件性能的分析合理分配增益；采用合理的设计实现了滤波器的幅相一致性；视放部分进行了调零和匹配电路的设计。现组件已交付应用于无人机载系统中，宽带解调和窄带解调分别用于雷达系统的成像模式和动目标检测模式，其性能在工程应用中得到验证。

参考文献

［1］ 弋稳.雷达接收机技术［M］.电子工业出版社， 2005.

［2］ 张莉.高分辨率SAR宽带I_Q正交解调器的实验研究［J］.雷达科学与技术2003（4）： 251-252.

［3］ ［美］Reinhold Ludwig， Pavel Bretchko.王子宇，张肇仪，徐承和等译.射频电路设计—理论与应用［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［4］ 刘砚涛，刘玉蓓，尹 伟.LC滤波器设计方法介绍及其仿真特性比较［J］.电子测量技术2010，33（5）：17-21.

［5］TI， Inc.THS3201 Data Sheet，2008.

The Design of L-Band Multi-Channel Analog Quadrature Demodulation Module

Tongli Yuan
（East China Research Institute of Electronic Engineering， Anhui， Hefei， 230088， China）

Abstract：Quadrature demodulation can get the amplitude and phase information of the signal in radar system.Its index has great influence on the radar system.This paper analyzes the principle of analog demodulation by analyzing the circuit composed of several parts， it gets the main factors affecting the various indicators.In development of multi-channel analog quadrature demodulation module in L-band ，many problems have appeared.In response to these issues， the device features the character of the quadrature demodulator， low-pass filter design and video amplifier circuit design.The article introduces the matching circuit and layout design and gives test data at last.

Key words：Quadrature Demodulation； Low-Pass Filtering； Linear Amplification

中图分类号：TN952

文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2016） 02-102-06

DOI：工业技术创新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.002

作者简介：

袁同力（1969-），高级工程师。研究方向：雷达接收系统和微波电路设计。

E-mail： yuantl99@126.com