【正文】 信號頻率的整數(shù)倍。 本章小結(jié)本章介紹了線性調(diào)頻定距引信的工作原理，并對三角波線性調(diào)頻信號及其差頻信號在時域與頻域的理論進行了理論分析，得出了探測距離R與差頻 fi 的關(guān)系式，給出了三角波線性調(diào)頻信號的參數(shù)選擇的標(biāo)準(zhǔn)及其具體參數(shù)。3自差收發(fā)機工作原理及振蕩電路分析 自差收發(fā)機是一個自激振蕩器，在接收時是一個非自治的振蕩系統(tǒng)。無線電引信自差收發(fā)機是由同一個電路和同一副天線同時完成無線電信號發(fā)射和接收的系統(tǒng)；無線電引信自差收發(fā)機電路，實質(zhì)上是一個帶有收發(fā)天線和檢波電路的LC電容三點式自激振蕩器，其核心部分就是工作在高頻大信號非線性狀態(tài)的晶體管。不同的是自差收發(fā)機與天線的禍合很緊，并帶有檢波或混頻電路。在研究晶體管自差收發(fā)機的高頻等效電路時，把晶體管的分布參數(shù)作為晶體管的外接回路元件來處理，則晶體管可用一個高頻特性和低頻特性完全一樣的理想晶體管來代替。成了自差收發(fā)機的振蕩回路。 振蕩回路 加上回波信號的電路，Lc 、Lb 、Le的引線電感是一個很小的量級，可忽略其影響。由于自差收發(fā)機是工作在大信號的狀態(tài)下，晶體管工作狀態(tài)的變化必然引起分布參數(shù)的劇烈變化。對于工作在欠壓狀態(tài)的自差收發(fā)機，只須考慮的CC變化。綜上所述，建立引信自差收發(fā)機在外加信號作用下的高頻大信號等效模型。電容反饋三點線路的優(yōu)點是:由于輸出端和反饋支路都是電容，因此對高次諧波電抗較小。這種電路的振蕩頻率容易做的較高。，叫做“考畢茲”電路。圖中L、CC2 組成振蕩回路，作為晶體管放大器的負載阻抗，反饋信號從電容C2兩端取得，送回放大器輸入端。扼流圈Lc的作用是為晶體管集電極構(gòu)成直流通路，而且避免了高頻信號被旁路，也即集電極采用了并聯(lián)饋電形式。 考畢茲電路 考畢茲電路交流通路。循環(huán)一周的相移關(guān)系可以示意如下(這里忽略了很多次要因素，此外還假設(shè)振蕩回路沒有損耗，工作在振蕩頻率，回路的相移也是零):Ube 0Ib 0Ic πUceπ2Iπ2Ube ()1 考慮到Uce與Ic的標(biāo)定極性，所以兩者相位差為π，這正表明放大器輸入與輸出的反相關(guān)系；2 回路電容支路的電流I的相位領(lǐng)先電容C1兩端的電壓Uce 相位π2；3 而電容C2兩端的電壓就是Ube，注意到它的標(biāo)定極性，應(yīng)有Ube的相位領(lǐng)先I的相位π2 ?？紤]到天線直接接入電路參與振蕩，采用克拉潑電路從結(jié)構(gòu)上來說更為合理。他的作用是減小Cae和Cce 。CC3一方面是隔直電容，參與振蕩，另一方面為調(diào)制信號提供較大容抗，以免對后續(xù)電路產(chǎn)生干擾，所以不能取得太大。C1接在晶體管b、c極間，一方面減小諧波，另一方面減小反饋電容Cbe和Cce 因溫度等原因變動時對頻率造成的影響，使振蕩頻率相對穩(wěn)定。三角波調(diào)制信號從IN標(biāo)示的位置接入。其中CX’是由CX和C2 、C3的等效電容。這里:Rg是晶體管輸出電阻，Ri是晶體管的輸入電阻；Cce是晶體管輸出電容，Cbe是晶體管的輸入電容；R0是回路本身的諧振電阻。也就是把各元件都折合到ce端。=1Rg+1n2R0+F2Ri ()放大倍數(shù)為K=βR39。(β是晶體管的電流放大倍數(shù)) 交流通路 交流通路等效電路把以上結(jié)果帶入起振條件KF1，并假設(shè)n2R0?Rg 。2 F較小時，滿足Ri∕(RgF)?F ，起振表達式可寫為:βRiRg?1F=RiRg?CbeCce ()3 F較大時，滿足Ri∕(RgF)?F ，起振表達式可寫為:βF=CceCbe ， ()(2) 下面分析此電路的振蕩頻率。為了得到更精確的兒，需要對相位平衡條件重新分析，把一些附加相移考慮進來。 。1R39。 ； （）若T相對來說很小，可以忽略不計，可得:ωosc=1∕LC39。A2TL?Cx(Cb+C1) ()可見振蕩頻率要比理想情況偏差一點，當(dāng)溫度或者工作點發(fā)生變動時，晶體管參數(shù)隨之變動，會引起振蕩頻率的不穩(wěn)定。結(jié)合振蕩器的平衡條件、起振條件和穩(wěn)定條件，對所使用的電容三點式振蕩電路進行了深入的理論分析，經(jīng)過推導(dǎo)，得到特定振蕩電路形式的振蕩頻率公式。輔助HP的ADS射頻設(shè)計軟件對電路結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化。引信的射頻部分電路應(yīng)該包括以下幾個部分:自差式壓控振蕩器(VCO)、微波混頻器、發(fā)射天線。下面對自差式壓控振蕩器(VCO)、微波混頻器這兩部分分別進行設(shè)計。針對課題的設(shè)計要求選擇電子調(diào)諧，而電子調(diào)諧又有三種形式[12]:偏置調(diào)諧、變?nèi)莨苷{(diào)諧、YIG調(diào)諧。變?nèi)莨苁且环N特殊的PN結(jié)二極管，一般使用的材料為硅(Si)或砷化嫁(GaAs)。當(dāng)變?nèi)莨芙尤腚娐分校瑯?gòu)成諧振回路的一部分時，改變變?nèi)莨苌纤与妷阂嗑透淖兞酥C振回路的電容，則振蕩頻率也相應(yīng)地變化。目前變?nèi)莨艿腃max/Cmin可做到10:1[13]。對雙晶體管平衡結(jié)構(gòu)的VCO，提取二次諧波頻率，變?nèi)莨苷{(diào)諧范圍達滿倍頻程，其頻率上限高于單端理VCO，對BJT工作頻率可達16G乃幾，對FET則越過30GHZ。用變?nèi)莨苷{(diào)諧速度快，體積小、成本低，缺點是Q值低，相位噪聲較高，調(diào)諧特性非線性嚴重。壓控振蕩器屬于一種微波固態(tài)頻率源(簡稱微波固態(tài)源)，是通信、雷達、電子對抗、測試儀表等各種微波系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的重要設(shè)備。根據(jù)固態(tài)微波器件的固有特性，目前各種器件能夠發(fā)揮最大作用的頻段大致為:L波段以下，硅雙極晶體管和硅場效應(yīng)晶體管(FET)為主；L～S波段，硅雙極晶體管為主。壓控振蕩器的技術(shù)參數(shù)主要有以下幾個方面:工作頻率范圍:指滿足各項指標(biāo)要求的機械調(diào)諧或電調(diào)諧頻率范圍，用起止頻率表示，也可用f0+%f0表示。若考慮功率隨頻率的變化或隨溫度的變化時，則用功率起伏表示，常以177。調(diào)諧特性:分為模擬調(diào)諧與數(shù)字調(diào)諧。b、調(diào)諧(或調(diào)制)靈敏度:有最大、最小或平均調(diào)諧靈敏度之分。c、調(diào)諧線性度:指偏離理想的線性調(diào)諧直線的最大調(diào)諧頻偏與總的調(diào)諧帶寬之比，用百分比表示。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。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。設(shè)計目標(biāo)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。而且作為引信需要較高的增益，合適的發(fā)射功率等。晶體管的特征頻率越高，其工作頻率越高。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。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)。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。: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。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(yīng)當(dāng)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。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。工作點電流偏大可使輸出電壓振幅增加，但對其他指標(biāo)不利[15][16]。 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。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。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。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。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。目前，在厘米、毫米波頻段，它是主要的低噪聲器件。它在電子對抗接收機及微波儀表中均得到了廣泛的應(yīng)用。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。從目前廣泛應(yīng)用的電路來看，單端混頻器和單平衡混頻器較容易實現(xiàn)。但其結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟，因此，若對接收機靈敏度指標(biāo)要求不高時仍可選擇單端型混頻器。表面勢壘二極管的優(yōu)點[18]:(1)變頻損耗與噪聲比小。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)。徑向擊穿電壓較高，熱穩(wěn)定性較好。(3)體積可做得較小。 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。Rs是半導(dǎo)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。CC是管殼電容，只有十分之pF。對混頻特性影響較大的是Rs、Cj和R。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)。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。二極管選擇Agilent公司的HSMS280B肖特基二極管。2)對二極管混頻電路進行瞬態(tài)分析、可以看出，回波感應(yīng)電動勢在IOmV的情況下，混頻得到的差頻信號大約是53dBm。而且相對其他的低頻信號至少大20dB[21]，這是很有利的。因此這里可以定義ldB壓縮點為OdBm。當(dāng)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。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。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。 射隨器優(yōu)化電阻實際選擇的標(biāo)準(zhǔn)電阻為：R1=560Ω , R2=56KΩ ，R3=1600Ω；， 。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。.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。隨后設(shè)計了附屬電路射隨器。圍繞這一中心，我分了三個部分研究。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。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(dǎo)了振蕩頻率的公式。并與實際數(shù)據(jù)進行了對比及校驗。這也與實際該引信的特點相吻合。第43頁，共44頁