【導讀】無線電引信是通過探測目標附近包含目標信息的電磁場而作用的一種引信[1]。由于無線電引信突出的性能，人們把它和原子彈、雷達并列譽為二次大戰(zhàn)中軍事科學的三大發(fā)明[2]。無線電引信的研究歷來為各國所重視，成為引信技術(shù)發(fā)展的主流。軍事強國的無線電引信裝備比例歷來較高，并且一直在發(fā)展新的型號、研究無線電引信的小型化。較早一代的無線電引信大多數(shù)為多普勒引信，該引信是利用彈目間的相對運動而產(chǎn)生的多普勒信號的幅度來測距[3]。該體制引信的優(yōu)點是發(fā)射和接收不需要調(diào)制與解調(diào)，發(fā)射的頻譜很窄，從而使其選頻、濾波、信號處理及整個引信結(jié)構(gòu)簡單、體積小。這種體制引信的缺點是距離截止性差、炸點散布大;此外由于發(fā)射的是單頻等幅波，很容易受到干擾。因此隨著國內(nèi)外對引信定距精度和抗干擾能力等方面的要求日益苛刻，這種體制的引信己經(jīng)不能滿足要求。調(diào)頻無線電引信是發(fā)射調(diào)頻等幅連續(xù)波信號的系統(tǒng)。

　　

【正文】 偏與總的調(diào)諧帶寬之比，用百分比表示。調(diào)諧線性度還有用最大調(diào)諧頻偏與最小調(diào)諧頻偏之比或百分數(shù)表示法。在引信里把振蕩源產(chǎn)生的三角波線性調(diào)頻信號直接由天線發(fā)射出去，并不需要經(jīng)過放大等步驟。所以這里振蕩源的功率越大越好，對信噪比的提高、增加最大定距距離都有好處。具體的設(shè)計參數(shù)如下:振蕩器中心頻率: f 0=最大頻偏:?f=50MHZ工作頻率范圍:177。調(diào)諧三角波電壓峰峰值:3V調(diào)諧靈敏度:17MHZ/V下面將設(shè)計一個由單個晶體管構(gòu)成的VCO，調(diào)諧方式為用一個變?nèi)莨苓M行頻率調(diào)諧。設(shè)計目標是:VCO的振蕩頻率跟三角波調(diào)制電壓成線性變化，并使振蕩信號的振幅波動較小。(l)晶體管的選擇:用作低噪聲射頻振蕩器的晶體管，主要性能要求是特征頻率高，噪聲系數(shù)低。而且作為引信需要較高的增益，合適的發(fā)射功率等。晶體管的一些可供選擇的參數(shù)如下:l)特征頻率壽又稱截止頻率，它是晶體管共發(fā)短路電流增益為1時的頻率。晶體管的特征頻率越高，其工作頻率越高。晶體管的最高振蕩頻率fmax與特征頻率fT的關(guān)系可以表示為:fmax=fT∕8πRbCcb ()Rb是基極擴散電阻，Ccb是集電極基極結(jié)電容。一般來說按照fosc=～10fT來選取，以免影響調(diào)頻信號的幅度穩(wěn)定。Ccb也選擇較小的為好。2)晶體管的正向最大資用功率增益G可以近似的表示為:G=fmax2∕f2 ，用分貝表示為:GdB= 201g(fmax/f)。由表達式可見:隨著晶體管使用頻率的增高，功率增益將減小，f增大一個倍頻程，G下降6dB。晶體管振蕩器的輸出功率POSC與增益G的關(guān)系為:POSC=Psat11GlnGG ()我們選擇NEC公司的2sc3356晶體管作為振蕩管，它具有較高的功率增益，低噪聲特性，低交調(diào)失真，該管主要用于低噪聲放大器和振蕩器。而且該型號在射頻頻段應用非常廣泛，貨源充足，價格便宜。:圖 2sc3356振蕩管的封裝與管腳功能晶體管的具體參數(shù)是:fT=7GHZ，NF=，G=，PCM=，ICM100mA，Ccb=由公式()和()計算可得:fmax≈4620MHZ , POSC≈30mW。(2)晶體管的偏置優(yōu)化:振蕩晶體管偏置電路的設(shè)計如同振蕩器的射頻電路設(shè)計一樣重要。因為它關(guān)系到微波振蕩的穩(wěn)定性、相位噪聲、功率、效率的高低，故應當正確設(shè)計偏置電路，并選擇最佳直流工作點，以提高射頻性能。振蕩器幅度穩(wěn)定下來后，如果工作在非線性區(qū)，必然出現(xiàn)飽和和截止現(xiàn)象。但是晶體管飽和時輸出阻抗低，它并聯(lián)在LC諧振回路上，使Q值大為降低，頻率穩(wěn)定度下降，所以一般我們把工作點選在偏截止的一邊。一般的小功率振蕩器總是使工作點靠近截止區(qū)，遠離飽和區(qū)，通常集電極電流取得較小。工作點電流偏大可使輸出電壓振幅增加，但對其他指標不利[15][16]。由于引信提供的電壓為:Vcc=18V，經(jīng)過計算可得在該靜態(tài)工作點下偏置電阻R1=820Ω；R2= R3=7KΩ。 振蕩電路的結(jié)構(gòu)與仿真將諧振回路接入晶體管偏置后的電路，可以得到振蕩部分的仿真電路圖如下圖。對其進行仿真，: 蕩器原理圖 振蕩器瞬時仿真結(jié)果，可以看到詳細的振蕩波形: 蕩器振蕩波形在米波、分米波雷達接收機中，通常用三極管作變頻器，三極管變頻的主要優(yōu)點是具有變頻增益。到了分米波段的較高頻率上，三極管已喪失其放大性能，而噪聲卻大大增加，因此在工作波段為微波雷達接收機中，幾乎無例外地使用晶體二極管作混頻器件。以前使用的是點接觸晶體二極管，現(xiàn)在流行的器件為面結(jié)型晶體二極管一表面勢壘二極管(或稱肖特基勢壘二極管、熱載流子二極管)。使用硅點接觸二極管的微波混頻器迄今已有幾十年以上的歷史。由于此種器件是利用金屬觸須和半導體材料的點接觸造成勢壘而得到非直線性，接觸點的不可靠使工作穩(wěn)定性差，容易燒毀，噪聲系數(shù)也比較高，一般在十幾個dB以上[17]。采用二極管作非線性器件的混頻器稱為無源器件混頻器，又稱電阻性混頻器。二極管混頻器的特點是，結(jié)構(gòu)簡單，便于集成化，工作穩(wěn)定，而且性能良好。因此是目前主要的微波混頻器，但這種混頻器有一定的變頻損耗。依據(jù)目前的技術(shù)水平，混頻器一中放組件常用在中等靈敏度的微波接收機作低噪聲前端器件。目前，在厘米、毫米波頻段，它是主要的低噪聲器件。由幾個二極管組成的電阻性混頻器，其工作頻帶可作得很寬，達幾個甚至幾十個倍頻程。它在電子對抗接收機及微波儀表中均得到了廣泛的應用。晶體二極管變頻器的理論已比較成熟，其基本特點是利用二極管的非線性電導實現(xiàn)頻率變換，對變頻損耗、噪聲比、噪聲系數(shù)和本振強度的基本關(guān)系分析在很多教材上已有詳細介。使用二極管混頻電路的缺點是沒有變頻增益而存在較大的變頻損耗，對本地振蕩信號輸入功率要求高，不適合于集成電路。這種混頻電路具有高動態(tài)范圍和50Ω的端口阻抗的優(yōu)點。從目前廣泛應用的電路來看，單端混頻器和單平衡混頻器較容易實現(xiàn)。單端混頻器電路中只用了一只二極管作非線性器件，其混頻性能如噪聲系數(shù)、對組合干擾的抑制能力、隔離度等方面，必然較其他形式的混頻電路差。但其結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟，因此，若對接收機靈敏度指標要求不高時仍可選擇單端型混頻器。肖特基混頻二極管的體積小、反向電流小，反向擊穿電壓高、反應速度快，適宜于高頻應用。表面勢壘二極管的優(yōu)點[18]:(1)變頻損耗與噪聲比小。因為表面勢壘二極管有理想的正反向特性，串聯(lián)電阻又小，所以用來混頻時信號能量損耗小，噪聲也比較小。表面勢壘二極管中的較好者在S波段具有5dB的噪聲系數(shù)。(2)可靠性高。徑向擊穿電壓較高，熱穩(wěn)定性較好。當有機械振動時，其噪聲效應小。(3)體積可做得較小。(4)參數(shù)一致性好，便于大規(guī)模制造。 肖特基混頻二極管和等效電路其中，R是勢壘層的非線性電阻，它在正向電流時為幾歐姆，而在反向電流時則有幾萬歐姆，電阻R可認為是不隨頻率變化的。Cj是勢壘層的非線性電容，因為接觸面積小，所以Cj值在百分之幾到PF之間，隨直流偏壓和射頻功率而變。Rs是半導體襯底和外延層的體電阻或稱串聯(lián)電阻，點接觸二極管的Rs值在十到幾十歐姆之間，而表面勢壘二極管的凡值僅有十分之一到幾歐姆。LS是引線電感或稱串聯(lián)電感，其值為幾個毫微亨。CC是管殼電容，只有十分之pF。在上述參數(shù)中，CC可通過外電路的匹配來消除。對混頻特性影響較大的是Rs、Cj和R。當二極管兩端的射頻電壓一定時，電阻Rs與電容Cj的數(shù)值越大，則實際加于非線性電阻R上的射頻電壓就越小，所以要獲得有效的混頻，RsCj值越小越好，應滿足如下條件[19][20]:RsCj?T 或1RsCj?f ()式中T一射頻信號周期；f一信號頻率應用中，還經(jīng)常用截止頻率fc來判斷晶體二極管對調(diào)頻的適應程度，晶體工作時，信號頻率必須小于fc。fc=12πRsCj () 單端混頻器電路設(shè)計(l) 混頻二極管的選擇我們知道，二極管性能的優(yōu)劣直接影響著混頻器的噪聲系數(shù)。因此，通常均選用噪聲溫度比較小、變頻損耗低的二極管，變頻損耗主要決定于二極管的結(jié)電容Cj0和引線電阻Rs，此外，還要考慮它的抗燒毀能力，所需要的本振功率的大小以及它的射頻特性的一致性等。在混頻器的頻帶要求不寬，對噪聲系數(shù)的要求也不過高，同時本振的噪聲又很小的情況下，可以使用一個混頻二極管:二極管的偏置電路容易設(shè)計，與中放的連接簡單，安裝、調(diào)試比較容易。缺點是抑制本振調(diào)幅噪聲的能力不強，因而噪聲比較大。二極管選擇Agilent公司的HSMS280B肖特基二極管。HSMS280B二極管的結(jié)電容和引線電阻分別為Rs=30Ω，Cj=，由式()可得: 1RsCj=1101230=56GHZ?3GHZ ,二極管HSMS280B可以使用。2)對二極管混頻電路進行瞬態(tài)分析、可以看出，回波感應電動勢在IOmV的情況下，混頻得到的差頻信號大約是53dBm。是可以滿足信號處理電路的要求的。而且相對其他的低頻信號至少大20dB[21]，這是很有利的。3): 1dB壓縮點和轉(zhuǎn)換增益可見混頻增益是大約1OdB，當回波信號的功率為OdBm時混頻增益下降約ldB(一般情況下回波信號不可能這么大)，這時差頻信號大約是1ldBm。因此這里可以定義ldB壓縮點為OdBm。當然，這里的本振功率是固定的。當L0本振信號功率發(fā)生改變時，需重新仿真以得到新的變頻增益曲線和ldB壓縮點。射極跟隨器(又稱射極輸出器，簡稱射隨器或跟隨器)是一種共集電極接法的電路，它從基極輸入信號、從射極輸出信號。它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、輸入信號與輸出信號相位相同的特點。由于射隨器的輸入電阻很大，輸出電阻較小，因而從信號源索取的電流小而且?guī)ж撦d能力強，輸入輸出隔離度好，因此在射頻前端的末級接射隨器有利于對差頻的提取[22][23]。射隨器的晶體三極管選用NEC的2SC3356雙極性晶體管，其具有低噪聲、高增益等特點。利用ADS進行射隨器電路的仿真設(shè)計，： 射隨器仿真電路原理圖，由圖可以看出，射隨器輸入輸出波形基本相同，且晶體管靜態(tài)工作點電壓和電流都在管子的最大允許范圍之內(nèi)，因此該射隨器能夠滿足系統(tǒng)要求。 射隨器優(yōu)化電阻實際選擇的標準電阻為：R1=560Ω , R2=56KΩ ，R3=1600Ω；， 。下圖是輸入輸出曲線，可以看到射隨器輸出電壓接近于輸入電壓，這也是射隨器電壓放大電路的特點之一。輸入、輸出電壓相位相同，輸出電壓的線性度比較好，基本沒有失真。 射隨器輸入輸出波形比較仿真可得輸入電阻為Rin=2768Ω, Rout=。.本章是論文的重點部分之一，通過詳細的設(shè)計步驟分別給出了VCO和混頻器的具體設(shè)計過程，并對其性能進行優(yōu)化和仿真，以達到設(shè)計要求。將射頻電路中各部分電路連接起來就構(gòu)成了整個射頻前端系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生以及差頻信號的提取，為后面的信號處理電路提供分析信號。隨后設(shè)計了附屬電路射隨器。5 結(jié)論本課題為“基于ADS的調(diào)頻無線電引信系統(tǒng)的建模與仿真” 。圍繞這一中心，我分了三個部分研究。首先是引信系統(tǒng)的工作原理；其次是如何建模；最后是硬件電路設(shè)計。第一部分介紹了引信的特點和調(diào)頻測距的工作原理，對信號的時域、頻域分析。主要參數(shù)選擇，并給出產(chǎn)生誤差的原因及解決措施。第二部分介紹了自差機的工作原理，即振蕩器的設(shè)計及仿真，推導了振蕩頻率的公式。第三部分介紹了引信外圍必需設(shè)備的設(shè)計及仿真。并與實際數(shù)據(jù)進行了對比及校驗。得出了調(diào)頻無線電引信具有測距精度高、抗干擾能力強、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單等特點。這也與實際該引信的特點相吻合。限時本人能力有限，我的課題研究也有以下幾個方面沒有涉及或做了簡化處理，如對振蕩器選用了簡單的形式，所以精度不夠；外圍設(shè)備也比較簡單；沒有實際制作電路板并進行調(diào)試的，進一步的問題本文沒有做介紹，有待別人詳細闡述。第43頁，共44頁