重频超宽带脉冲对混频器的干扰特征分析

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(西北核技术研究所，西安 710024)

0 引言

超宽带脉冲是指电场峰值较大的、上升时间在纳秒或亚纳秒量级、脉冲持续时间在纳秒(ns)或者亚纳秒量级、频谱宽度为几十MHz～几个GHz的单极性或者双极性的非调制的电磁波[1-4]。因超宽带脉冲具有前沿快、脉宽窄、频谱宽的特点，可作为电子设备的干扰源。当前，针对超宽带脉冲对电子设备的效应研究多集中于系统级的仿真和实验分析上。文献[5-8]分别介绍了超宽带脉冲对无线电引信、GPS接收机、通信电台等电子设备的效应研究成果。而超宽带脉冲对电子器件的效应研究则较少，且多侧重于超宽带脉冲对电子器件的毁伤效应研究上[9-10]。针对超宽带脉冲对电子器件的干扰效应研究，文献报道较少，文献8研究了重频超宽带脉冲对低噪声放大器的干扰效应，给出了重频超宽带脉冲对低噪声放大器的干扰特征以及脉冲参数对干扰特征的影响，研究发现当满足一定参数要求的重频超宽带脉冲注入低噪声放大器时可压制低噪声放大器的正常输出。

接收机射频前端为电台等通信设备的关键环节，其一般包含限幅器、低噪声放大器、滤波器、混频器等关键电子元器件，用以实现通信信号的接收、滤波、限幅、放大、和变频等功能。

混频器同低噪声放大器一样为通信设备接收机射频前端的重要组成组件，其技术性能对通信设备接收机的关键指标有重要的影响。因此，研究重频超宽带脉冲对混频器的干扰特征有助于分析重频超宽脉冲对通信设备的干扰效应机理。

1 混频器工作原理

混频器是一种非线性时变电路，依靠电路本身的非线性来完成频率转换。根据所使用的非线性器件，混频器可分为二极管混频器、晶体管混频器和场效应管混频器；根据电路结构的不同，主要分为单管混频器、平衡混频器、环形混频器等；根据混频器的增益特性，可分为有源混频器和无源混频器。衡量混频器工作性能的主要指标有变频增益/损耗、工作频率、隔离度等。典型的混频器电路主要完成3个功能：乘法、放大/衰减、滤波。一个理想的混频器的输出由输入信号与本振信号的和频与差频组成。实际混频器的工作，通常是以二极管或晶体管提供的非线性为基础，因此，其输出会产生较多的频率分量[11]。重频超宽带脉冲信号包含丰富的频谱分量，当作为干扰信号注入混频器时可能会对混频器的正常工作产生影响。

2 仿真分析

针对某型通信设备接收机射频前端所采用的无源混频器开展了仿真分析与实验研究。利用电路仿真软件自带的混频器模型，建立如图1所示干扰仿真模型，其中PULSE源用于模拟重频超宽带脉冲信号，而RF源用于模拟正常的通信信号，LO源为混频器的本振信号源。为模拟某型通信设备接收机射频前端混频器的变频过程，所建立的仿真模型中的RF源、LO源、混频器作如下设定：RF源频率范围为40～88 MHz，LO源频率范围为164～212 MHz，混频器下变频工作，输出124 MHz中频信号，且有6.2 dB左右变频损耗。

图1 重频超宽带脉冲干扰混频器模型

所采用的电路仿真软件自带的混频器模型是一种理想模型，其输出主要由RF源输出信号和LO源输出信号的和频与差频组成。当只有频率为60 MHz正常通信信号注入混频器时，此时LO源信号频率为184 MHz，混频器输出信号频谱如图2所示。此种情况下混频器输出同功率的差频信号(124 MHz)与和频信号 (244 MHz)。

图2 通信信号注入时混频器输出信号频谱

2.1 混频器对超宽带脉冲信号的响应

利用仿真软件形成如图3(a)所示的类高斯型超宽带脉冲信号。当此种类型的单脉冲超宽带信号注入混频器时，混频器输出信号波形如图3(b)所示。由图3(b)可知，单脉冲超宽带信号经过混频器后幅值变小，波形略有畸变，脉冲宽度略微变小。

图3 单脉冲超宽带信号注入混频器

图4 重频超宽带信号注入时混频器输出波形

利用仿真软件产生不同重频的超宽带脉冲信号，并将不同重频的超宽带脉冲信号注入混频器，观察混频器输出。图4给出了0.5 MHz、5 MHz、10 MHz重频条件下超宽带脉冲注入时混频器的输出波形。通过对图4的波形形式分析，可知，当重频超宽带脉冲信号注入混频器时，混频器输出波形可认为是以重频超宽带脉冲信号序列为抽样函数对本振信号进行时域采样，其波形包络形式因重频的不同而不同。

2.2 重频超宽带脉冲信号干扰混频器仿真

重频超宽带脉冲信号作为干扰信号与正常通信信号一起注入混频器，观察混频器输出。此时RF源频率为60 MHz，LO源频率为184 MHz。图5给出了5 MHz重频条件下超宽带脉冲信号与正常的通信信号一起注入混频器时混频器输出波形与频谱。由图5可知，重频超宽带脉冲作为干扰信号同射频通信信号一起注入混频器时，并不能干扰混频器的正常输出，混频器可实现其变频功能，输出的波形频谱中包含正常的差频(124 MHz)和和频信号(244 MHz)。

图5 重频超宽带脉冲信号与通信信号同时注入混频器

变频损耗为衡量混频器工作性能的重要指标，其表征混频器输出端幅度特征与输入端的关系，因此，为分析重频超宽带脉冲信号对混频器工作性能的影响，仿真给出了变频损耗与重频超宽带脉冲信号参数的变化关系，即在正常通信信号参数不变(频率、幅值等)的情况下，变频损耗随超宽带脉冲信号的幅值、重频、脉宽的变化关系。调节PULSE源参数设置，仿真给出了混频器变频损耗跟超宽带脉冲信号的幅值、重频及脉宽的变化关系曲线，如图6所示。由图6可知，当重频超宽带脉冲信号参数发生变化时，混频器变频损耗在一个较小的范围内变化(约0.2 dB)，综合考虑仿真过程中的计算误差和读数误差，可认为混频器的变频损耗受重频超宽带脉冲信号的影响较小。

图6 变频损耗随超宽带脉冲信号参数变化仿真曲线

通过以上的仿真分析可得到初步结论，重频超宽带脉冲并不能对混频器的正常工作产生较大影响，重频超宽带脉冲作为干扰信号随正常通信信号一同注入混频器时，混频器性能并不受影响，仍能输出正常的信号，但由于重频超宽带脉冲通过混频器后仍然包含丰富的频谱分量，其中即包含混频器正常输出的频率成分，则重频超宽带脉冲信号仍有可能影响混频器后端电路的工作。

3 实验研究

为验证仿真分析结果，建立图7所示的实验系统。采用安捷伦公司的脉冲源81130A来产生重频超宽带脉冲信号，两台安捷伦公司的信号源8257D来产生射频通信信号与本振信号。

图7 实验系统

实验所用混频器为某型通信设备接收机所采用的ADE-1MH型混频器，此型号混频器为无源混频器，工作带宽为DC-500 MHz，实验标定了其下变频输出124 MHz中频信号时的变频损耗，如表1所示。由表1可知，ADE-1MH型混频器的变频损耗受本振信号的功率影响较大。在输入正常通信信号频率和功率不变的情况下，本振信号功率越小，变频损耗越大。

表1 ADE-1MH型混频器变频损耗测试

在以下的实验研究中，固定两台信号源8257D的设置，设置如下：产生射频通信信号的信号源频率设置为60 MHz，输出功率设置为-7 dBm，经功分器与重频超宽带脉冲信号合路后，其功率应为-10 dBm；产生本振信号的信号源频率设置为184 MHz，输出功率为13 dBm。此种条件下，对应的混频器变频损耗约为6.2 dB。

3.1 混频器对超宽带脉冲信号的响应实验

实验测量了只有超宽带脉冲信号注入混频器时混频器输出波形。对于单脉冲超宽带脉冲信号，混频器输出波形较原始波形稍有畸变，幅值变小。对于重频超宽带脉冲信号，对比图8与图3，实验测量得到的波形形式基本与仿真分析得到波形一致。

图8 单脉冲超宽带信号注入后混频器输出实测波形

图9给出了不同重频条件下超宽带脉冲信号注入后混频器输出实测波形。对比图9和图4可知，仿真得到的波形与实测波形基本一致。

图9 不同重频超宽带脉冲信号注入后混频器输出实测波形

3.2 重频超宽带脉冲信号对混频器的干扰实验

重频超宽带脉冲信号作为干扰信号与正常通信信号一起注入混频器，图10给出了重频为5 MHz的超宽带脉冲信号与正常通信信号一起注入混频器后波形和频谱，此时RF源频率为60 MHz，LO源频率为184 MHz。

比较图5与图10，实验测量波形与仿真得到波形基本一致。由于实验所用混频器的非线性，其输出波形频谱中除了差频信号和和频信号外，还包含了一些幅度较高的谐波分量，而仿真所用的混频器为理想模型，混频器的非线性特征没有得到表征。

图10 重频超宽带脉冲信号与通信信号同时注入混频器实测波形

实验测量给出了混频器变频损耗随超宽带脉冲信号参数变化曲线。由图11可知，随着重频超宽带脉冲信号的注入，混频器变频损耗略有改变，其变化范围小于1 dB。因超宽带脉冲信号注入后混频器输出波形为包络形式，考虑此种实验模式下存在的读数误差，可认为变频损耗受重频超宽带脉冲信号影响较小。

图11 变频损耗随超宽带脉冲信号参数变化实测曲线

4 扩展性分析

由仿真分析结果和实验结果可知，重频超宽带脉冲信号并不影响单一混频器的正常工作，其作为干扰信号可正常通过混频器，且通过混频器后仍包含丰富的频率成分。

另外，混频器一般同滤波器一起组成混频滤波电路，并且当前的通信设备接收机多采用超外差结构，一般包含多级混频滤波电路来降低混频滤波后的中频信号频率以方便后续电路的处理。综合考虑多级混频滤波电路，针对某型通信设备的接收机射频前端两级混频滤波电路进行了重频超宽带脉冲响应初步实验研究，混频滤波电路结构形式如图12所示。

图12 混频滤波电路结构示意图

在图12所示的电路结构中，40～88 MHz频率范围内的通信信号经一级混频滤波电路后变为124 MHz的中频信号，其经过二级混频滤波电路后变为频率为384 kHz的中频信号。将不同参数条件下的重频超宽带脉冲信号注入混频滤波电路，观察混频滤波电路的输出。

图13 混频滤波电路输出波形与频谱

文献[8]指出重频超宽带脉冲的频谱呈离散谱线分布，谱线间隔为重复频率，且脉冲的功率主要集中在重频整数倍处的离散谱线上。因此，混频滤波电路对重频超宽带脉冲的响应依赖于图12所示的40～88 MHz带通滤波器。若超宽带脉冲的主频能够覆盖这一频带(40～88 MHz)，且重频整数倍处的离散谱线能够落入这一频带，则混频滤波电路可输出频率为384 kHz的信号。图13与表2给出了图12所示的两级混频滤波电路对重频超宽带脉冲的响应特性。在一定的参数条件下，重频超宽带脉冲经过混频滤波电路后可变为连续波信号，频率同通信信号经过混频滤波电路后输出的中频信号频率相同。因此，重频超宽带脉冲对混频滤波电路的干扰以及之后电路的干扰类似定频连续波信号干扰。

表2 两级混频滤波电路响应特性

5 结论

通过仿真分析与实验研究，针对超宽带脉冲信号干扰混频器，可得如下结论：

1)对于单脉冲超宽带信号，混频器输出同波形形式的信号，幅值减小，波形会产生一定程度的畸变。对重频超宽带脉冲信号，混频器输出波形可认为以重频超宽带脉冲信号序列为抽样函数对本振信号进行时域采样，其波形包络形式因重频的不同而不同。

2)作为干扰信号，重频超宽带脉冲信号并不能影响混频器正常工作。当重频超宽带脉冲信号与射频通信信号一起注入混频器时，混频器可实现其正常变频功能，其输出中频信号虽有所变化，但因其变化范围不大，作为衡量混频器工作性能的重要指标-变频损耗认为基本不变。

3)重频超宽带脉冲经过混频滤波电路后变为同中频信号同频的连续波信号，对混频滤波电路的干扰以及之后电路的干扰类似定频连续波信号干扰。