CC BY
239
УДК 621.314.263
КВАДРАТУРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРИЕМНОГО УЛЬТРАВЫСОКОЧАСТОТНОГО МОДУЛЯ
Д.А.Васильев
UHF A/D QUADRATURE DOWN CONVERTER
D.A.Vasil'ev
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Описывается разработка схемы квадратурного преобразователя частоты с возможностью аналоговой корректировки фазы. Приведены структурная схема аналого-цифрового ультравысокочастотного модуля и функциональная схема преобразователя частоты. Представлена математическая модель схемы, реализованная в среде SystemVue. Ключевые слова: квадратурный преобразователь частоты, приемный модуль, вращение фазы, моделирование, SystemVue
This article analyzes a quadrature down converter with the possibility of phase shifting. Block and functional diagrams of the analog-to-digital ultra-high frequencies down converter are shown. The downconverter model is simulated and analyzed in SystemVue environment.
Keywords: quadrature down converter, receive module, phase shifting, simulation, SystemVue
Введение
В настоящее время в радиолокационных системах (РЛС) применяются антенные решетки с обработкой сигнала, производимой непосредственно в полотне — активные фазированные антенные решетки (АФАР).
Такие антенны имеют ряд достоинств:
— высокий уровень излучаемой мощности, достигаемый благодаря суммированию в пространстве маломощных сигналов;
— высокая надежность, которую обеспечивает наличие избыточных элементов (потеря одного из множества элементов не ведет к значимым ухудшениям характеристик АФАР);
— простота эксплуатации АФАР из-за отсутствия высокого напряжения;
— работа в более широкой полосе рабочих частот.
В тракт каждого элемента АФАР устанавливается приемный модуль, содержащий в себе активные устройства. Для образования сигнала приемной решетки необходимо сложить в фазе сигналы со всех приемных модулей [1]. Однако осуществление такого условия особенно проблематично для РЛС ультравысокочастотного диапазона. В диапазоне частот 300 до 3000 МГц приемники должны быть разнесены на расстояние от единиц до десятков метров, в результате чего увеличивается время распространения сигнала, и следовательно, сигналы приобретают дополнительный, весьма существенный, фазовый сдвиг.
Сдвиг фазы сигнала в каждом приемном тракте антенны осуществляется фазовращателями с индивидуальным управлением. Сложение и дальнейшую обработку сигналов производят в цифровой форме, которая обеспечивает высокую стабильность параметров. Для представления сигнала в цифровом виде используют аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Од-
нако для высоких частот стоимость АЦП резко возрастает, и для решения этой проблемы используют преобразователи частоты, которые переносят спектр сигнала на промежуточную частоту. Поэтому задача построения преобразователей частоты с возможностью перестройки по фазе для ультравысокочастотных (УВЧ) приемников является весьма актуальной.
В статье представлены результаты разработки схемы преобразователя частоты аналого-цифрового приемного УВЧ модуля для РЛС с АФАР.
1. Требования к преобразователю частоты в РЛС с АФАР
В РЛС с АФАР преобразователь частоты должен обеспечивать:
— перенос спектра сигнала на промежуточную частоту;
— цифро-аналоговая корректировку фазы входного сигнала;
— управление коэффициентом усиления тракта ПЧ.
Основные технические требования, предъявленные к параметрам преобразователя, следующие:
— диапазон входных частот от Л = 430 до Л = 440 МГц;
— диапазон выходных частот от Л вых = 30 до Л вых = 40 МГц;
— полоса пропускания не менее AF = 10 МГц;
— коэффициент усиления не менее Ку = 50дБ;
— мощность на выходе не более Рвых = 0 дБм;
— точность перестройки фазы 5ф = 0,1 град;
— диапазон перестройки фазы — от 0 до 180
град;
— напряжение питания ипит = +12 В;
— синтезатор частот — внешний;
— мощность опорного гармонического колебания — минус 4 дБм;
— частота опорного колебания — 400 МГц.
2. Схемы преобразователя частоты
Перенос спектра сигнала на промежуточную частоту реализуется квадратурным преобразованием, структурная схема которого приведена на рис. 1.
на АЦП (КОС!
от МШУ -
Смеситель
Л
ФПЧ
Л
Гтерадин
\ /
Смеситель
ФПЧ
на АЦП (СИН! ->
Рис.1. Структурная схема квадратурного преобразователя частоты
Основой блока, предназначенного для квадратурной обработки сигналов, является цепь, содержащая два перемножителя сигналов, в синфазном (СИН) и квадратурном (КОС) каналах. Отличие между каналами заключается в том, что опорное колебание квадратурного сигнала сдвинут на 90°. Поворот фазовой составляющей осуществляется фазовращателем [2].
Для усиления входного сигнала служит усилитель радиочастоты (УРЧ) (рис.2).
Смеситель является ключевым элементом преобразователя частоты. Именно он выполняет перемножение двух сигналов и преобразует спектр частот принятого сигнала.
Для обеспечения высокого динамического диапазона при высоком уровне шума целесообразно применять пассивный смеситель с высоким значением IP3 и низкими потерями преобразования. Требованиям к диапазону частот на входе и выходе преобразователя удовлетворяет смеситель HJK-481H+.
Для подавления внеполосных частот входного сигнала, комбинационных составляющих на выходе смесителя и нежелательных гармоник, образованных синтезатором частот, используется полосовой фильтр.
В трактах входного радиосигнала и промежуточной частоты целесообразно применение фильтров на поверхностно акустических волнах (ПАВ), так как они обладают такими преимуществами, как малый вес и габариты, линейная фазовая характеристика, высокий коэффициент прямоугольности, температурная стабильность.
Для тракта опорного сигнала необходим фильтр с полосой пропускания, охватывающей частоту 400 МГц, и с максимальным подавлением нежелательных гармоник, образованных синтезатором и равных 800 и 1200 МГц. Указанным требованиям удовлетворяет фильтр BPF-A410+ американской компании Mini Circuits. Зависимость вносимых потерь от частоты приведена на рис.3.
Рис.2. Структурная схема УРЧ и фазовращателя
Полосно-пропускающий фильтр подавляет зеркальный канал, а также другие нежелательные компоненты входного сигнала. Поворот фазы осуществляется перед переносом спектра сигнала и обеспечивается аналоговым фазовращателем.
Стабилизатор поддерживает требуемое постоянное напряжение питания для активных элементов и производит подавление случайных пульсаций в питающей сети.
Блок управления преобразует цифровой код в сигнал, управляющий поворотом фазы и усилением тракта ПЧ.
В предложенной структурной схеме предусмотрены все основные функции, которые должен выполнять преобразователь частоты.
Рассмотрим реализацию структурной схемы преобразователя частоты.
INSERTION LOSS
0 440 880 1320 1760 2200
FREQUENCY (MHz)
Рис.3. Коэффициент вносимых потерь
Для усиления радиосигнала используется два каскада усилителей (рис.4). Схема состоит из двух направленных ответвителей и двух усилителей. Достоинствами этой схемы является то, что для усилителей, включенных балансно, обеспечивается такая точка согласования, при которой коэффициент шума минимален, а отраженная мощность гасится балластным резистором, т.е. вход усилителей не согласован [3].
Рис.4. Схема балансного усилителя
В качестве активного элемента используется широкополосный усилитель PGA-103+. Он обеспечивает вполне высокий динамический диапазон в широком диапазоне частот и с низким коэффициентом шума.
Управление коэффициентом усиления промежуточной частоты реализуется с помощью усилителя компании Analog Devices «AD603», обеспечивающего управляемое отрицательное или положительное усиление.
ЛВ603 включает в себя усилитель с фиксированным коэффициентом усиления, которому предшествует схема пассивного аттенюатора от 0 дБ до 42,14 дБ, имеющего регулировку усиления с коэффициентом масштабирования 40 дБ на вольт. Такой микросхемой можно управлять цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), который обеспечивает малые изменения напряжения. Разрядностью ЦАП определяется дискретность регулирования усиления тракта промежуточной частоты [4].
Упрощенная блок-схема микросхемы ЛВ603 представлена на рис.5.
3. Моделирование преобразователя частоты
Сокращение времени проектирования достигается системным моделированием преобразователя частоты.
Главные цели моделирования: расчет аттенюаторов расположенных в тракте гетеродина и определение общего коэффициента усиления.
Модель преобразователя частоты с одним смесителем, построенная в программном обеспечении SystemVue, приведена на рис.6. Программа учитывает шумы активных элементов, интермодуляционные составляющие и другие помехи, и тем самым наблюдается отличие между результатами моделирования и расчетом по соответствующим формулам.
Отсутствие второго смесителя в модели не оказывает значительного влияния на результаты модели-
Рис.5. Упрощенная блок-схема микросхемы AD603
балансный усилитель
балансныйусилитель
QCN-5+ ADP2-1
Source1=435 MHz at -f
Source1=400 MHz at-4 tB Source3=1200 MHz <tl-14d
PGA-103+ QCN-5+
Оо , <
> оо > ¿N
Рис.6. Математическая модель преобразователя частоты 76
SXBP-35+
рования. К тому же в места разрыва цепи подключены порты, в которых измерены спектры сигналов.
Для тракта опорного гармонического напряжения необходимо рассчитать подавление сигнала для обеспечения мощности 17 дБм на входе смесителя.
Моделирование показало, что аттенюатор должен обеспечивать ослабление сигнала на 16 дБ. Аттенюатор защищает следующие за ним усилители от перегрузки. На рис.7, 8 и 9 представлены соответственно цепь гетеродина, спектр сигнала с синтезатора частот и сигнал на входе LO смесителя.
По результатам моделирования коэффициент усиления тракта гетеродина составил 21,3 дБ, в то
время как расчет по формулам дал проигрыш в 1 дБ.
Измерение коэффициента усиления преобразователя частоты производилось следующим образом: на вход подавался сигнал мощностью минус 60 дБм; устанавливалось максимальное усиление тракта ПЧ.
Для того чтобы учесть потери реального фазовращателя, в модель преобразователя частоты добавлен аттенюатор, который вносит затухание на 2,4 дБ.
На рис.10 и 11 приведены спектры входного и выходного сигналов соответственно.
PGA-103+ Бр(г-А4Ю+
Шс
Source1=400 мн at -4 сет Source2= 800 мн а -24 сет L=
Source3=1200 мн at -14 сБт
Рис.7. Тракт гетеродина
<
Рис.8. Спектр сигнала с синтезатора частот
Спектр опорного гармонического сигнала
400 МН2.17.304 ¿Вт NodeSiqnalfrom,SPL 5' Ш
БСО МНг, -27.932 йВт 1 200 МН£ -23.669 -_Ег-| То1э| Ггот ^РЬ 5'
НсйеТо1а| *{нт "ЕРЬ 5'
г,
---- ---- --
---'
ля
0
Ргеииепсу (МН/|
Рис.9. Спектр сигнала на входе Ю смесителя
QCN-5+
PGA-103+
Рис.10. Спектр входного сигнала
Рис.11. Спектр сигнала на выходе (от 0 до 600 МГц)
Проведенное моделирование позволило разработать функциональную и принципиальную схемы преобразователя частоты. Разработанное устройство обеспечивает усиление 51 дБ, что удовлетворяет техническим требованиям и всего на 6дБ ниже результатов математического моделирования.
Заключение
В ходе проектирования разработан квадратурный преобразователь частоты приемного УВЧ модуля для радиолокационных станций с АФАР.
Для решения задачи управления фазовращателем и коэффициентом усиления использован компактный недорогой цифро-аналоговый преобразователь, который в свою очередь принимает цифровые управляющие сигналы по шине SPI.
Перенос спектра произведен в квадратурном и синфазном канале устройства при помощи пассивного смесителя с двойной балансировкой, обеспечи-
вающего высокую развязку между трактами радиосигнала и гетеродина.
Помимо всего, произведено системное моделирование схемы в программном обеспечении Sys-temVue, что позволило измерить основные характеристики разработанной схемы.
1. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И.Воскресенского и А.И.Канащенкова. М.: Радиотехника, 2004. 488 с.
2. Дингес С.И. Основы схемотехники радиооборудования систем связи с подвижными объектами. Ч.2. М., 2010. 98 с.
3. Малорацкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. М.: Сов. радио, 1976. 216 с.
4. Техническая документация на компонент AD603 [Эл. ресурс]. URL: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD603.pdf (дата обращения 1.06.2016).
5. Программное обеспечение для проектирования на системном уровне. [Электронный ресурс]. URL:
http://www.keysight.com/en/pc-1297131/systemvue-electronic -system-level-esl-design-software?cc=US (дата посещения 1.06.2016).
References
1. Voskresenskii D.I., Kanashchenkov A.I., eds. Aktivnye fazi-rovannye antennye reshetki [Active phased antenna arrays]. Moscow, "Radiotekhnika" Publ., 2004. 488 p.
2. Dinges S.I. Osnovy skhemotekhniki radiooborudovaniia sis-tem sviazi s podvizhnymi ob"ektami [Fundamentals of RF circuit design for mobile call systems]. Part 2. Radiodizain [RF design]. RFDesign.ru Publ., Moscow, 2010. 98 p.
3. Maloratskii L.G. Mikrominiatiurizatsiia elementov i ustroistv SVCh [Microminiaturization of microwave elements and devices]. Moscow, "Sovetskoe radio" Publ., 1976. 216 p.
4. Tekhnicheskaia dokumentatsiia na komponent AD603 [Data sheet AD603]. Available at: http://www.analog.com /media/en/technical-documentation/data-sheets/AD603.pdf (accessed 1.06.2016).
5. Programmnoe obespechenie dlia proektirovaniia na sistem-nom urovne [SystemVue Electronic System-Level (ESL) Design Software], Available at: http://www.keysight.com/en/ pc-1297131 /systemvue-electronic-system-level-esl-design-software?cc=US (accessed 1.06.2016).
