X波段高功率微波脉冲鉴相器设计与实现

王 益，郭晓东，张翠翠，王建忠，何 斌

（中国工程物理研究院计量测试中心，四川 绵阳 621900）

X波段高功率微波脉冲鉴相器设计与实现

王 益，郭晓东，张翠翠，王建忠，何 斌

（中国工程物理研究院计量测试中心，四川 绵阳 621900）

为满足高功率微波技术对信号相位差测量的应用需求，设计一种微波脉冲鉴相器，实现X波段脉冲信号相位差的准确测量。鉴相器基于I/Q解调原理，采用无需外加电源供电的双平衡电路结构，以微带电路的形式设计同相功分器和分支线电桥，结合贴片式混频器将两路待测信号进行正交混频，得到与待测相位差相关的电脉冲。电路设计中采用宽带电路结构，扩展使用带宽；结合全电磁仿真对各信号传输通路的相位一致性进行分析计算，避免电路出现初相误差；采用低通滤波器滤除高次谐波干扰，提高鉴相准确度，最后制作实物样机并进行性能测试。测试结果表明，该鉴相器能够实现百纳秒级微波脉冲信号的相位测量，动态范围达到10dB，最大承受功率22dBm，测量误差＜5°。

X波段；相位测量；鉴相器；脉冲

0 引 言

相位是高功率微波（HPM）中需要测量的基本参数之一，具有广泛应用需求，比如在HPM功率合成系统中，相位测量的技术指标直接关系到最终合成效率[1-2]。目前国内实现HPM相位测量主要有示波器时域波形法[3]和微波鉴相器法[4]两种，示波器法主要受限于其测量带宽，要实现X波段HPM相位测量，现有大部分示波器的采样率都难以满足要求，且示波器不利于测量控制一体化、实时化趋势，因此目前示波器法主要用于实验室研究。为实现X波段HPM相位测量，采用微波鉴相器法是一种行之有效的技术途径，相比示波器法具有体积小、易于集成、使用方便等优点，具有较高的实用性。

HPM相位测量与常规功率微波相位测量相比，需要面临信号功率高、电磁环境复杂、待测信号为单次脉冲、脉冲宽度窄等技术难点[4-8]。采用微波鉴相器法进行HPM相位测量受到多方面的影响[9-12]。鉴相原理一般是通过将两路HPM信号进行衰减后混频，将两路信号的相位差信息转化为对应的幅度信息，通过检测输出信号幅度的大小，计算得到两路输入信号相位差，其中，鉴相器的性能指标直接关系到相位测量结果的准确性和可靠性，常见的鉴相器有单混频式鉴相器、双混频I/Q法鉴相器和六端口复数比值计等[13-15]。

基于I/Q解调原理的双混频鉴相器具有输入功率大、受功率不平衡影响小、无源（抗干扰能力强）等优点，结合两路信号输出电平的正负进行判断，可将鉴相范围提高到360°，比较适用于HPM相位测量。

1 测量方法及测量系统

1.1 测量原理及系统组成

双平衡微波鉴相器电路原理框图如图1所示，主要由一个3 dB分支线耦合器（分支线电桥）、一个3dB同相功分器、双平衡混频器、低通滤波器以及微波传输线和输入输出转换接头组成。

图1 双平衡微波鉴相器电路原理图

鉴相器实际上是利用I/Q解调原理来实现鉴相功能，输入的微波信号ur经过分支线耦合器以接近90°的相位差分配给两个混频器，而输入微波信号us经过同相功分器以接近0°的相位差分配给两个混频器，所以，进入混频器的两路信号相位差接近90°，分别经过两路混频器进行混频，再经过低通滤波器滤除高频分量，得到与微波信号相位差成正交调制关系的电脉冲信号，由两路输出电脉冲信号幅度与相位之间的关系，可得到最终的鉴相结果。

设两路输入信号分别为

其中A、B分别为两路输入微波信号幅度，φ为信号相位差，经过3dB分支线电桥后，ur被分成两路信号ur1和ur2:

经过3dB功分器之后的信号us1和us2为

经过分配的两路信号分别与两路混频器进行混频，经过混频后，滤除高阶分量，上下两路输出V1和V2分别为

由式（4）可见，V1和V2与输入信号相位差成正交调制关系，若输入信号为微波脉冲信号，则V1和V2是与微波脉冲宽度相同的电脉冲信号，通过V1和V2两路输出可以得到两路输入信号的相位差：

可以看出，式（5）中相位差表达式与输入微波信号幅度A、B无关，因此当输入功率不平衡（A≠B）时，不会对鉴相结果造成影响，利用这一特点可以避免在HPM相位测试中常出现的功率不平衡现象对相位测试造成影响。

1.2 关键电路设计与仿真优化

HPM脉冲鉴相器的设计要求鉴相准确度高、抗干扰能力强、便于使用。按照前面所述的技术路线对鉴相器进行了具体设计，在对3dB分支线耦合器和3 dB同相功分器进行设计时，采用理论计算得到电路初始物理尺寸，然后结合仿真软件进行性能优化，要求尽量保证两路输出信号的幅相一致性，同时尽量减小端口驻波并提高输出端口之间的隔离，以减小电路元件性能不理想以及端口不匹配引入的系统误差。

1.2.1 分支线耦合器设计和仿真

分支线耦合器的带宽受1/4波长线的限制，其相对带宽一般只能达到10%～20%。若要扩宽使用频带，可采用多节分支线结构，但是由于多节结构中高阻线线宽太窄，难以加工，因此一般不会超过3节。

采用两节结构对分支线耦合器进行了设计，采用奇偶模法可得到其各节阻值与线宽，电路板采用低损耗的Rogers5880板材。通过仿真得到其散射参数如图2所示，从仿真结果可以看出两路等分端传输参数在中心频率附近400MHz带宽范围内幅度一致性优于0.2dB，端口反射系数及隔离度大于-22dB，满足设计要求。

图2 3dB分支线耦合器结构及仿真结果

1.2.2 3dB同相功分器设计和仿真

3dB同相功分器采用经典的威尔金森功分器实现，为提高隔离度与带宽同样采用了两节结构进行设计，电路板同样采用低损耗的Rogers5880板材，仿真结果如图3所示，在中心频率附近400 MHz带宽范围内幅度一致性优于0.1dB，端口反射及隔离小于-25dB。

图3 3dB同相功分器结构及仿真结果

1.2.3 低通滤波器的设计和仿真

为滤除混频器输出的高次谐波干扰，采用高低阻抗变换方法设计了低通滤波器，滤波器为5阶结构，根据输出信号频带范围及高次谐波频率范围，设计的低通滤波器截止频率为1.9GHz，通带内衰减小于0.3dB，高次谐波处插入损耗大于27dB。滤波器结构与仿真结果如图4所示。

图4 低通滤波器结构及仿真结果

1.2.4 鉴相器整体电路集成

最后，需要将各个分离元件进行整体集成，在电路进行集成过程中时，要保证3dB分支线耦合器和3dB同相功分器输入输出的相位一致性，避免电路出现初相，提高鉴相准确度。在电路布局时，相邻的传输线之间间距要求大于4倍线宽，与混频器连接部分的电路采用屏蔽性能相对较好的共面波导[16-17]，利于贴片式混频器的连接，此外由于X波段电磁波频率高、波长短，电路容易受到阻抗变换连接处以及电路倒角等引入的寄生参数的影响，在设计时必须要考虑通过调整线长等方式进行调节，整体电路布局与相位一致性仿真结果分别如图5、图6所示。

1.2.5 电磁屏蔽

由于鉴相器使用时的电磁环境比较复杂、干扰较大，需要采取措施对电路进行电磁屏蔽保护以提高其抗干扰能力，因此采用了全封闭结构的电磁屏蔽盒对电路进行保护，此外采用了无源结构的双平衡鉴相器形式，无需外加电源供电，避免了环境电磁干扰通过供电电路耦合进入鉴相电路对鉴相器产生干扰；通过电路进行布局优化，减小体积以及采用无源设计，可以方便鉴相器的使用和维护。

图5 鉴相器电路整体结构

图6 鉴相器整体相位一致性仿真结果

2 实物样机性能测试

对设计的鉴相器进行了加工，电路的输入端口采用SMA接头连接，输出端由于是低频脉冲信号，采用了穿孔型BNC接头。最终装配完成之后的X波段微波脉冲鉴相器实物图如图7所示，整体尺寸为110mm×110mm×40mm。

图7 微波脉冲鉴相器样机

对鉴相器进行了性能考核实验，考核指标包括不同状态下的鉴相准确度、测量动态范围、输入功率不平衡对鉴相结果的影响等技术指标，实验系统的设计主要思路：信号源输出微波后经脉冲功率放大器放大后，经功分器分为两路信号，通过步进和可变衰减器来改变两路输出功率，通过精密可调移相器改变两路的相位差。实验系统设计如图8所示。

图8 鉴相器性能测试实验系统框图

实验过程中步进和可变衰减器的调整会影响信号的传输相移的不平衡度，而移相器的调节影响功率的不平衡度，即功率和相位调节是相互影响的。同一功率点进行相位差测试时需要基于网络分析仪对两条输入通路进行校准，以保证两条通路的输出相位为零，调节移相器完成0°～90°相位测试。通过调节信号源输出功率或者脉冲放大器的增益，可实现不同输入功率下的鉴相性能测试。通过调节步进衰减器和可调衰减器的衰减量，可实现两路输入功率不平衡，但每次改变步进衰减器和可调衰减器后需要对两通路相位校准，以保证两条通路的输出相位为零。

被测脉冲宽度300ns，脉内相位变化范围30°时的典型鉴相器输出波形如图9（a）所示，按照式（5）计算得到的相位测量结果如图9（b）所示，从图中可以看出，鉴相器对脉冲信号响应较快，脉冲前后沿约为20ns，对于百纳秒级微波调制脉冲信号的相位测量效果良好，测量线性度较好。

然后在12～22 dBm的输入功率范围内，分别以2dBm为间隔测试了不同输入功率下鉴相器的相位测量结果，共计测量点为95个，测量结果见图10，结果表明，鉴相器动态范围达到10 dB，最大承受功率22dBm，测量误差小于5°，初步分析，由于输入功率变化引起的测量结果变化主要是由于混频器的非线性引入。

图9 鉴相器输出波形与相位测量结果

图10 不同输入功率鉴相结果

由于实际在HPM相位测量过程中，可能会面临两路输入信号功率大小不同，影响测量结果准确度，因此通过实验测试的方式考察了两路输入信号的功率比变化时，鉴相器测量结果的波动。实验中模拟了18dBm输入功率状态下，两路输入功率不平衡（±3dB、±2dB、±1dB共 6个不平衡状态）状态下的鉴相结果，测量结果如图11所示。

图11 输入功率不平衡时的鉴相结果

由图中的测试结果可以看出：在两路输入功率不平衡系数±3dB内，对±45°相位差范围内引起的鉴相结果波动在±3°以内，在-60°左右波动最大，可能是由于双平衡混频器的增益压缩造成的。鉴相器工作时不需要外加电源，性能稳定，受环境电磁干扰影响较小。

3 结束语

高功率微波测量系统中的微波器件常工作在极端量值条件下，且被测信号通常为百纳秒级短脉冲，载波频率可达X波段甚至更高，对其相应的测试系统提出了较高要求，本文针对X波段HPM相位测量的实际需求，采用I/Q解调技术设计研制了X波段微波双平衡脉冲鉴相器，并搭建测试系统进行测试。测试结果表明：该鉴相器各方面技术指标达到要求，鉴相器具有鉴相准确度高、动态范围宽、功率容量大、抗干扰能力强以及使用方便等优点，满足HPM脉冲信号相位测量的要求。

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（编辑：李妮）

Design and implementation of X-band HPM pulsed phase discriminator

WANG Yi， GUO Xiaodong， ZHANG Cuicui， WANG Jianzhong， HE Bin
（Metrology and Testing Center，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

To meet the requirements of signal phase difference measurement with high-power microwave technology， a microwave pulsed phase discriminator was designed for the accurate measurement of phase difference for the X-band pulsed signal.Based on I/Q demodulation method，the phase discriminator applied a double-balanced circuit structure that didn't require external power supply，designed a same-phase power splitter and branch bridge using the microstrip line and mixes the signal under test orthogonally in chip mixer to get electrical signals related to the phase difference.In circuit design， a broadband circuit structure was adopted to extend the bandwidth.The phase consistency of each signal transmission path was analyzed and calculated using the electromagnetic simulation software，avoiding the initial phase error of the circuit.The high order harmonic was restrained using a low-pass filter and the accuracy ofphase discrimination was improved.Finally，a prototype was made and the performance was tested.The test results show that the phase discriminator can realize the phase measurement of hundred ns microwave pulse signal with the dynamic range of 10 dB，the maximum power of 22dBm and the measurement error of less than 5°.

X-band； phase measurement； phase discriminator； pulsed signal

A

1674-5124（2017）06-0134-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.028

2016-09-23；

2016-11-15

王 益（1986-），男，四川绵阳市人，工程师，硕士，主要从事微波计量与测试技术研究。