应用测试方法探究超外差多通道接收系统的功分器性能要求

2016-10-19 来源:微波射频网作者:丁青 我要评论(0) 字号:

超外差多通道探测接收系统多使用功率分配器而共用同一本振源,功率分配器的分配均匀性和带宽大小将对该系统的性能产生影响。因而在设计功分器之前,对多通道系统测试并分析相关性能指标的变动对整个系统的影响就显得尤为重要;与此同时,测试所得的关于保证系统性能的指标要求对系统中相关器件的设计也有很大的指导意义。

1、阵列多通道超外差接收系统原理分析

在毫米波超外差接收系统中,多个接收通道需要多个超外差混频器,使用单个本振源,通过功分器对其等分至各通道的本振输入口而无需每个混频器都配备本振源,降低了系统成本和载荷。波导功分器有损耗小,功率容量大等优点,主要应用在在高功率容量、低损耗要求的场合,在毫米波系统中经常被使用。

阵列多通道分谐波混频接收系统原理结构图如下图所示。射频信号由天线接收,经低噪放放大后进入混频器,混频后的中频信号经滤波、检波、采集便可得到直流电压信号。系统考虑载荷、成本等因素,使用一个本振源经功分器等分而给每个混频器提供本振信号。

阵列多通道超外差接收系统原理结构图

图1、阵列多通道超外差接收系统原理结构图

微波本振源对直流电源精度有较高要求,当直流电源不满足要求,会使本振源的输出功率和频率偏离标定值。由于本振源信号先经由本振功率分配器等分,之后的输出信号到达各混频器的本振输入端口为其提供本振信号,此刻每个通道的混频器的性能受本振端口输入信号的差异而造成的影响可归于功率分配器的性能对混频器的影响。

在绝对零度以上的物体在整个电磁波谱范围内能够都会向外辐射电磁能量,被动接收系统可设计器件的工作频率以接收其任意频段辐射的能量。毫米波波段本振源为波导谐振式微波源,谐振中心频点可能会因为外加直流电流的不稳定而有一定的偏移量。在射频信号频率有一定带宽的情况下,本振频率发生漂移,与本振频率对应的双边带也会相应发生偏移。

因而,为了保持系统中各通道的指标一致,所用功率分配器要求等分均匀性、一致性误差尽可能小;同时,具有一定带宽可以为本振源的频率偏差对混频性能的影响提供一定的冗余保证。

2、测试

搭建超外差单通道接收系统,通过微调本振源的输出功率和工作频率以模拟功分器的输出功率分配及带宽对系统的影响。射频信号和本振信号选择Farran公司94GHz、49.5GHz微波源,射频、本振信号源以及W波段低噪放由TRADEX的LPS202A直流稳压电源供电,混频后的中频信号接入检波器。在其他条件保持不变的条件下,改变本振源的输出功率和工作频率并记录相对应的检波输出结果。测试系统原理及实物图如下所示。

实验测试单通道系统搭建

实验测试单通道系统搭建

图2、实验测试单通道系统搭建

本振功率变化时的输出结果变化测试

本振功率变化时的输出结果变化测试

本振功率变化时的输出结果变化测试

图3、本振功率变化时的输出结果变化测试

图4、本振频率变化时的输出结果变化测试

由上述结果可以看出,本振源以功率为7dBm、频率49.5GHz为基准而增减变动,当本振功率的变动为0.2dB、0.5dB、1dB时,输出结果变动小于0.1dB、0.36dB、0.46dB;本振频率在49GHz~49.8GHz范围内变动时,输出结果差异小于0.26dB,以49.5GHz为中心增减0.5GHz而给输出结果带来的结果差异小于0.6dB。通过上述实验数据可知,在毫米波多通道系统中,为了保证个通道性能的一致性,要确保直流供电电源的精度,以保证微波信号源自身信号的纯度和输出功率的稳定,这样对系统的影响会降低。

测试结果汇整如下表所示。

 输出功率不均匀性(dB)通道影响(dB)
测试
 
0.2≤0.1
0.5<0.36
1<0.46
 

表1、输出不一致性影响

 输出端口功率等分带宽(GHz)通道影响(dB)
测试
 
fc-0.3~fc+0.3<0.26
fc-0.5~fc+0.5<0.6

表2、频率漂移影响

由表中汇总的结果可知,功分器输出功率不均匀性在小于0.5dB时,给通道性能带来的影响较小;输出端口功率等分带宽为中心频率处+/-0.3GHz时,对通道影响较小。由此可以得出,功率分配器的功率输出分配差异小于0.5dB、输出带宽为中心频率处+/-0.3GHz时,对系统性能影响最小。

3、结论

在毫米波超外差单通道接收系统中,通过微调本振源的输出功率和工作频率以模拟功分器的输出功率分配及带宽对多通道系统的性能影响,测试得到的该变化值为系统中功率分配器功率分配和分配带宽等指标要求提供了设计参考和指导。与此同时,该方法也为获得实际多通道系统中功分器性能要求提供了有效且节约成本的新思路。

作者:中国航天空气动力技术研究院  丁青

参考文献

[1] S. Marsh, B. Alderman, D. Matheson and P. de Maagt, “Design of low-cost 183 GHz subharmonic mixers for commercial applications,” IET Circuits Devices Syst., vol. 1(1), pp. 1–6, 2007.
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[3] 杨晓帆, 基于平面肖特基二极管的太赫兹分谐波混频器研究[D]. 电子科技大学, 2012.
[4] 张肇仪等译,David M.Pozar著. 微波工程(第三版)[M]. 电子工业出版社,2009, 209-216.

本文刊登于微波射频网旗下《微波射频技术》杂志 2016无线射频专刊,未经允许谢绝转载。

《微波射频技术》杂志 2016无线射频专刊

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