卫星时钟信号功分网络对锁相环电路干扰分析

高杰 韩浪 纪文章 袁仕耿

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

时钟信号功分网络是卫星进行时间信息管理的重要组成部分，卫星的时频管理单元输出一路时钟信号，经功分网络输出至各设备。各设备共用一个微波网络，就会存在共网络干扰的风险，尤其是网络中存在包含锁相环电路等对信号相位变化敏感的设备。功分网络对信号传输特性的影响，明显体现在对信号相位的影响[1]；当功分网络的端口阻抗不匹配时，对信号相位的影响更加明显；在实际工程中，端口理想匹配的网络并不存在，总有端口出现阻抗失配的情况[2-3]。此干扰问题的发生，基于特定的电子系统使用环境，具有一定的特殊性，目前国内外对相同问题的分析研究较少。

本文首先通过理论推导，建立了一种共网络干扰的数学机理模型；其次，通过Matlab软件编程，仿真分析了各个变量对干扰强弱的影响；然后，根据分析结果，明确了主要干扰因素，设计了系统改进方案；最后，通过设备的系统联试验证了改进方案的有效性。

1 干扰产生的机理

1.1 同频不同相信号的产生

卫星时钟信号的功分网络为多端口微波网络，其在输出端口处能产生同频不同相的叠加信号，本节以三端口网络为例解释叠加信号产生的机理。假设图1所示的三端口网络，在端口3处出现阻抗失配，此时端口阻抗取任意值Zl，如图1所示。

注：a1、a2、a3为归一化入射波，b1、b2、b3为归一化反射波。

图1 失配三端口网络示意图

Fig.1 Schematic diagram of impedance mismatched

three port microwave network

(1)

式中：Si，j(i，j=1，2，3)为三端口网络的归一化散射参量。

假设端口2为匹配，a2=0，所以，

(2)

1.2 同频不同相的信号对锁相环电路的影响

锁相环电路是一个跟踪输入信号相位的控制系统，输入信号通过其瞬时相位控制输出信号的瞬时相位[8]。基本的锁相环路构成如图2所示，是一个由输入和输出相位差控制的负反馈系统[9]。

图2中，θ1(t)和θ2(t)是基于锁相环内被控振荡器频率为参考的输入、输出相位，表示信号波在输入、输出时刻的相角。当信号进入锁相环时，鉴相器比较θ1(t)和θ2(t)的相位差，由相位差产生误差电压，经过滤波器过滤后形成控制电压，从而控制压控振荡器产生频率偏移，来跟踪输入信号的频率，直到两者相等，环路稳定下来，达到锁定。

对于一个锁定状态的锁相环路，如果在信号输入端突然叠加一个同频不同相的信号，会导致相位差的突然变化，鉴相器识别此相位变化，会产生一个控制电压，从而控制振荡器的频偏[10]。这个频率的误跟踪会导致锁相环路的失锁，当输入信号稳定后，锁相环路通过相位跟踪会恢复稳定状态，恢复锁定。

2 影响相位变化的因素分析

2.1 数学模型的建立

以卫星上全球导航卫星系统(GNSS)接收机加断电会造成星间链路设备的瞬时失锁为例建立数学模型。此时功分网络可以用图3所示的二分四微波网络表示，端口1和端口6为时钟信号输入，端口2至端口5为时钟信号输出，分别连接卫星的星间链路设备、GNSS、载荷设备和应答机。实际工作时，两路输入只有一路工作，且应答机开关机前后端口匹配很好，驻波在1.05左右，因此假设端口5和端口6为匹配状态。

对于任何一个网络，其在多个端口失配情况下的信号传输关系，都可以通过求解，得到

b2=(S21+S23·S31·Γ3·A+S24·S31·Γ4·

C+S23·S41·Γ3·B+S24·S41·Γ4·D)·a1

(3)

式中：A、B、C、D为计算的过程变量；Γ4为端口4的反射系数，其表示端口4反射波电压与入射波电压的比值。

(4)

则端口2输出信号的相位为

φ=Arg(S21+S23·S31·Γ3·A+S24·S31·

Γ4·C+S23·S41·Γ3·B+S24·S41·Γ4·D)

(5)

2.2 卫星实例分析参数的确定

信号相位变化是引起锁相环电路失锁的关键，分析的目的是要明确哪些参数是引起时钟信号相位波动的主要因素。本次仿真分析模拟GNSS加断电时，其设备时钟信号入口反射系数变化，对星间链路输入时钟信号相位的影响。功分网络的S参量及载荷设备时钟信号入口的驻波为分析的边界条件。通过测试得出卫星时钟信号分配网络的S参量见表1。

表1 时钟分配网络S参量Table 1 S parameter of clock distribution network

2.3 分析结果

1)GNSS设备时钟信号入口反射系数变化对星间链路输入时钟信号相位的影响

载荷设备正常工作时，设备时钟信号入口驻波为1.5，利用Matlab软件编程，计算GNSS设备时钟信号入口反射系数Γ3幅度(对应图4方框中的不同幅度值)和相位变化时，星间链路输入时钟信号相位的变化趋势。仿真结果如图4所示，GNSS加断电前后，如果其时钟信号入口的反射系数在两个波动区变化，必然会造成星间链路输入时钟信号相位的明显变化。

2)影响相位波动区幅度范围的因素分析

当GNSS与载荷设备时钟信号入口驻波趋于一致时，波动区幅度变化范围增大。假设GNSS与载荷设备端口驻波相等，则GNSS时钟信号入口反射系数变化时(图5方框中不同幅度值指GNSS时钟信号入口反射系数的幅度)，星间链路输入时钟信号相位变化如图5所示。

当GNSS与载荷设备时钟信号入口反射系数趋于反相时，波动区幅度变化范围增大。GNSS和载荷设备正常工作的时钟信号入口驻波分别为2和1.5，当载荷设备端口反射系数取不同相位时，星间链路输入时钟信号相位的变化，如图6所示。

3)功分网络端口隔离度增加对星间链路输入时钟信号相位的影响

分析功分网络增加GNSS端口和星间链路端口隔离度，对星间链路输入时钟信号相位的影响。出现干扰问题时此两个端口的隔离度为34 dB，当增加此隔离度值时，星间链路端输入时钟信号的相位受GNSS加断电的影响变小。取GNSS和载荷设备时钟信号入口驻波分别为2和1.5，仿真结果如图7所示，只有当隔离度增加到-60 dB时，串扰才会被完全抑制。

3 抑制干扰的设计改进及试验验证

2.3节所分析的是一个电子系统的电磁兼容问题，各设备因共用一个功分网络而产生一个特定的电磁环境，其重要属性是经过此电磁环境的信号相位发生变化，这是干扰锁相环电路的原因。要抑制此干扰，就需要改变各设备共处电磁环境的属性，从而实现对信号相位变化的控制，变化的幅度越小，其对锁相环电路的影响就越小，直至干扰消失。

此电磁环境控制相位变化大小的主要因素是各设备时钟信号入口的驻波、反射系数相位和网络各端口的隔离度，而不同设备在此三类指标上的数量关系，是控制干扰强弱的变量，驻波一致、相位反相、隔离度太小都会造成较强的干扰。为了实现系统电磁兼容，抑制干扰，电子系统中的相关设备需要在上述三类指标上进行协调设计，而协调的关键就是指标间的数量关系。在保证各设备功能正常的前提下，为了实现系统电磁兼容，驻波、反射系数相位和隔离度指标改进如下。

(1)将各设备时钟信号入口的驻波设计不同值，在满足信号强度要求的前提下尽可能相差大一些，改进指标见表2。

表2 驻波改进指标Table 2 Index of stand wave

(2)将各设备时钟信号入口的反射系数相位设计为趋于同相，改进指标见表3。

(3)增加功分网络各输出端口的隔离度，改进指标见表4。

各设备更改指标后上星复测，干扰现象消失。试验结果见表5，改进前GNSS每次加、断电都会造成锁相环电路的失锁；只按照表4措施完成改进后，GNSS加断电50次，出现16次失锁现象；按照表3、表4措施改进后，GNSS加断电50次，未出现失锁现象。

表3 端口反射相位改进指标Table 3 Index of reflection phase

表4 网络隔离度改进指标Table 4 Index of isolation

表5 试验验证结果Table 5 Results of test

4 结束语

多个设备共用信号功分网络容易产生干扰锁相环电路的现象，产生的原因是各设备状态变化时，引发网络输出信号相位变化，造成锁相环电路失锁。通过理论分析及试验验证，采取设计各设备时钟信号入口驻波趋于不同值，反射系数相位趋于反相，同时增加网络各端口隔离度至-45 dB以上，能有效抑制此类干扰，可为卫星时钟信号功分网络设计提供参考。

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