C波段高精度数字化鉴相器

李少甫，刘 聪，李 端，李雅楠，王兰兰，高 蟠，何永斌，郭 锋，夏祖学

(西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010)

0 引言

微波相位测量在无线通信电路、雷达发射接收机电路、无线定位和微波传感器测量等领域有重要应用［1-3］。微波相位测量是比较成熟的技术，但是对于特定的应用，通用的方法无法满足需要。在很多应用中，微波频率抖动和相位是非常重要的参量，因而研究其检测技术非常重要。文献［1］的实验方法中采用双平衡混频的方法能够测量相位，但不能够测量频率。本文研究一种联合使用FFT和非线性最小二乘法拟合的测量方法可以同时测量频率和相位。

1 原理和总体电路

总体电路如图1所示，由于在C波段频率比较高，为了降低数字化采样的采样率采用变频降低频率。电路由本振电路、本振监测电路、本振低通滤波电路、本振功分电路、变频电路和中频低通滤波电路等构成。

图1 数字化相位测量总体电路

1.1 本振电路

本振电路采用 hittite的hmc358电路，频率在6.5 GHz左右，可以调整。直流供电电压3 V，电流100 mA;频率调整电压为0～10 V，频率可调范围是5.8～6.8 GHz;输出功率最大到10 dBm;二次谐波和三次谐波相对基波水平分别为-10 dB和-20 dB。

本振监测电路采用微带电路，设计在电路板上，监测端耦合度为20 dB。本振低通滤波电路采用9阶Butterworth低通支线微带电路，设计在电路板上，目的是滤除本振的二次以上谐波，幅频特性如图2所示。本振功分电路采用Wilkinson微带功分电路，设计在电路板上。

图2 本振低通滤波器幅频特性

1.2 变频电路

变频电路采用Hittite的Hmc219电路，其RF和本振输入频率范围为4.5～9 GHz，在本振输入功率13 dBm非线性1 dB压缩功率可达10 dBm，中频输出频率范围为DC～2.5 GHz，变频损耗8.5 dB左右，本振与RF之间的隔离度为25 dB左右。

被测试微波经过变频电路后，频率在500 MHz左右，有8.5 dB左右的损耗。为了滤除高次谐波，设计了一个6阶Butterworth低通支线微带电路，设计在电路板上，幅频特性如图3所示。考虑到电路尺寸设计的阶数不是太高，且Hmc219电路是双平衡混频器，对带外谐波有较强的抑制，这样2个电路加起来对于本振、RF和上边带的抑制在50 dB以上。

变频后的信号经过高速A/D变换后送计算机进行相位测量等数据处理。

图3 中频低通滤波器幅频特性

2 数字化相位测量

微波相位测量主要有模拟电路相位测量系统和数字化相位测量系统。数字化相位测量系统具有处理灵活、精度高等优势。数字化相位测量方法主要有相关函数法［4，5］、一阶线性插值测相法、线性最小二乘法和FFT谱分析法等［6，7］。其中一阶线性插值测相法通过比较过零点来比较相位差，其精度较差，FFT谱分析法在高精度测量时需要较高的采样率或者采样频率与基波频率成倍数关系［8］。线性最小二乘法具有较高的精度，但是对被测波的频率要事先测量出来。相关函数法要求采样频率是被测信号频率的整数倍，也有较高的精度。但是相关函数法对于来自于2个非相关的源的非相关噪声具有较好的抑制作用，对于来自本振等相关源的噪声却无能为力。通过比较分析，本文采用非线性最小二乘法拟合的方法。

2.1 数字化相位测量原理

输入微波信号分别为:

式中，n1和 n2分别为噪声信号;A1和 A2、ω1和 ω2、φ1和φ2分别为幅度、角频率和位。它们经过变频滤波以后为:

式中，α为变频损耗比;ωL为本振角频率;n'1和n'2分别为变频和滤波对输入噪声的改变;nl为变频中增加的噪声，它们与变频器的噪声系数有关。

经过高速A/D变换后的量化信号为:

式中，ωIF1和 ωIF2为中频，它们分别为(ωL-ω1)和(ωL-ω2);e(k)为量化噪声。

对式(5)和式(6)进行傅里叶变换可以初步估计其频率和相位，但是由于其采样点有限，其精度非常小，特别是相位对噪声比较敏感，这个方法满足不了实际工程的需要。非线性最小二乘法拟合方法的收敛时间对初值比较敏感，所以先用FFT估计频率和相位，作为初值再采用它优化得到比较精确的频率和相位。

2.2 数字化相位测量仿真和实验

通过优化运算式(7)可以找到被测信号频率和相位。非线性最小二乘法拟合数据得到的被测信号波形如图4所示，实验条件是输入信号频率5.1 GHz，功率10 dBm，本振信号频率6.1 GHz，功率本振信号功率12.5 dBm，中频信号频率500 MHz，2路信号相位差80°，A/D转换的位数是8位，采样率是5 GHz。非线性最小二乘法拟合测量2路误差与信号信噪比和A/D转换的位数的关系曲线如图5所示。从图5可以看出，在信噪比大于30 dB时，A/D转换的位数是8位时用非线性最小二乘拟合法的测量误差小于0.1°，能够满足工程测量的需要。A/D转换的位数小于8位时有比较大的测量误差。

图4 非线性最小二乘法拟合数据波形

图5 角度测量误差与信噪比和A/D变换的关系

3 结束语

为了改进献［1，2］中的相位测量方法，设计了一个数字化相位测量系统，讨论了前端硬件电路中各个部分的原理和实现方法，该前端频率带宽可以达到1 GHz。

本文提出的联合FFT与非线性最小二乘法拟合测量微波相位的方法具有测量精度高、不需要事先知道被测量信号频率等优点，还可以测量信号频率。与文献［1，2］中的测量方法比较，极大地提高了测量精度，同时解决了频率测量问题。目前已经完成原理性实验，经过分析和实验研究该电路能够满足工程测量要求。下一步的工作还要提高电路的动态范围等。

［1］ 潘 健，李少甫，蔡文新.S波段短脉冲鉴相器的研究与设计［J］.电视技术，2011(11):47-49.

［2］ 郭焱华，黄华，罗 雄，等.S波段相对论速调管放大器的相位测量［J］.强激光与粒子束，2009，21(5):733-736.

［3］ 沈金成，宁百齐，万卫星，等.全天空流星雷达相位差监测分析方法研究［J］.空间科学学报，2012(1):75-84.

［4］ 韦鉴熊，王治强，刘 薇.基于相关系数导数的余弦信号检相算法［J］.仪器仪表学报，2011(6):1 265-1 271.

［5］ 吴智睿.数字相位计的研究与设计［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009:20-30.

［6］ 杨新华，陈玉松，金兴文.基于FFT谱分析算法的高精度相位差测量方法［J］.自动化与仪器仪表，2006(6):75-77.

［7］ 路艳洁，席志红，王姜铂.FFT法与数字相关法在相位测量上的比较［J］.信息技术，2007(12):105-108.

［8］ 沈艳芳，陈丽花，陈 星.基于FPGA的全相位FFT高精度相位测量［J］.电子测量技术，2011(8):52-55.

［9］ COLEMAN T F，LI Y.An Interior，Trust Region Approach for Nonlinear Minimization Subject to Bounds［J］.SIAM Journal on Optimization，1996，69(6):418-445.

［10］ COLEMAN T F，LI Y.On the Convergence of Reflective Newton Methods for Large-Scale Nonlinear Minimization Subjectto Bounds［J］.Mathematical Programming，1994，67(2):189-224.