微波信號的瞬時頻率測量是電子測量技術的一個重要方面 ,所涉及的被測信號是具有一定重複周期的窄脈衝微波信號, 每個脈衝的載頻都是捷變的, 所以無法對信號進行多次測量積累 ,只能進行脈衝瞬時測頻( IFM ),同時信號的脈寬特別窄, 要達到的測頻精度與測量時間是同一數量級 。
瞬時 測 頻 技 術 最 早 是 在 20 世 紀 50 年 代 由M ULLARD 實驗室開始發展。隨後美國的 SYVACUSE大學研究中心和 STANFORD 研究院也開始研究 。早期的模擬式 IFM 通常利用波導微波元件 、行波管和陰極射線顯示器來實現 , 系統體積大 , 結構複雜, 一般只用於地面設備和較大的平台上。寬波段帶狀線耦合器和固態砷化鎵放大器的出現使微波元件的尺寸顯著減小, 在 20 世紀70 ～ 80年代, 採用這種改進元件以及處理數位化的 IFM 開始出現 。
隨著數位技術的發展和電子元件工作頻率的提高, 各種新型的瞬時測頻技術不斷出現, 其中數字計數式和注入鎖相式被認為是兩種較實用的瞬時測頻技術。數位技術測頻技術利用高速 ECL 電路, 通過對高速脈衝進行直接計數來實現測頻。而注入鎖相測頻技術則利用注入振盪器將注入信號的頻率信息轉換成相位信息, 通過對相位量的測量實現對輸入信號頻率的瞬時測量 。
瞬時測頻工作原理
瞬時測頻是瞬時測頻接收機的核心部分, 它是基於相位比較法來實現頻率的測量 。瞬時測頻的核心部件是鑒相器 。一種常用的微波鑒相器 ,它由功分器、90° 電橋、檢波器與差分放大器組成。假設前端天線傳輸至輸入端 a 點的信號功率為:Ea = 2 A。經過功分器後分為 2 條支路, 一條不經過延遲線,與原信號在相位上同步,功率為 :Eb = A 。
誤差來源
瞬時測頻是基於時間延遲產生相位差來實現頻率測量的 ,因此其主要誤差來自於時間誤差T 與相位誤差 。
1.時間誤差T
時間誤差 T 是由延遲線的物理特性所決定的。延遲線不是理想器件, 存在著實際中微波器件通常具有的一些特點, 如參數隨溫度 、濕度等周邊環境的變化而變化的特性等 ,使得延遲線在使用過程中產生一定的偏移, 從而導致實際使用中與理想狀態下的延遲時間存在誤差∆T 。可以通過將延遲線放置於恆溫槽中, 利用單片機進行溫度控制的方法減小因環境變化而導致的時間誤差。
2.相位誤差
在瞬時測頻中 ,相位誤差∆φ的來源較多 ,主要有 : 鑒相器元件性能與與理想狀態的偏差∆φ c , 因有限相位量化而導致的相位量化誤差 ∆φ q , 系統內部的噪聲導致的相位噪聲 ∆φ N , 同時到達信號造成的信號矢量相位的偏離∆φ i 。相位誤差的計算公式如下:2∆φ= ∆φ i 2 +∆φ q2 +∆φ N 2 +∆φ i2
鑒相器引起的相位誤差 ∆φ c
實際工作中 ,由於使用環境的影響及器件自身工藝等原因 ,元器件特性與理想狀態存在一定的差距 ,使鑒相器在信號的相位與頻率相關聯過程中引入了相位誤差。這種誤差來源於元器件自身特性及自然因素,無法完全消除, 可以通過對器件的設計、製造工藝等進行改進來減小誤差 。通常情況下, 寬頻帶鑒相器的相位誤差在 10°～ 15° 左右 ,改進後的高質量寬頻帶鑒相器的相位誤差可小於 5° 。
相位量化引起的相位誤差 ∆φ q
相位量化誤差是由最小量化單位的寬度決定的 ,即相位解析度決定誤差值的大小 。相位最小單位寬度與量化的位數存在如下關係:∆φ=2π2n式中 : ∆φ為相位最小單位寬度( 也就是相位解析度); n 為量化位數 。2 位量化下的相位解析度為 90°, 3 位量化的相位解析度為 45°, 4 位量化的相位解析度為 22 . 5°。假設量化誤差是均勻分布的 ,可以得到量化誤差有效值 ∆φ q 與最小量化單位 ∆φ之間的關係為 :∆φq=∆φ2 3由公式計算可得 2 位量化下的量化誤差達到了 ∆φ q = 25 . 98°, 3 位的量化誤差減小到 ∆φ q =12 . 99°。因此可以通過提高量化數來減小相位量化誤 差 , 當量化 數達到 6 時 , ∆φ=5 . 6°, ∆φ q=1 . 6°, 相對於鑒相器的相位誤差已經可以忽略不計了 ,再提高量化器的比特數也就沒有什麼意義了。
當量化位數到 6 後 ,最小量化單位 ∆φ與鑒相器的相位誤差 ∆φ c 之間非常接近 , 易引起相位模糊 。當量化數減至 4 時 , ∆φ q = 6 . 5° , 相對於鑒相器的誤差 ∆φ c 差別並不大 , 且相位解析度放大到∆φ= 22 . 5 ° , 相對於 ∆φ q 與 ∆φ c 有很大的相位裕度 ,可有效提高測頻精度 ,減少因系統硬體帶來的額外誤差 。在多通道組成的瞬時測頻模組中 , 可通過多路鑒相器並用和採取合適的量化位數方式來改善測頻 ,合適的相位解析度能解決減小相位模糊帶來的測頻誤差 ∆φ q 與鑒相器誤差 ∆φ c 之間的矛盾 。
系統內部噪聲引起的相位誤差
接收機的內部噪聲為高斯白噪聲 , 必然會引起被測信號矢量相位起伏 ,產生相位噪聲 。內部噪聲電平越高 , 產生的相位噪聲越大 。為抑制微波檢波器和視頻放大器產生的噪聲 , 在接收機前端增加低噪聲限幅放大器 ,可在一定程度上減小相位誤差。
同時到達信號引起的相位誤差
現在電子戰中電磁密度大 ,出現同時到達信號的機率相對很高 。瞬時測頻接收機是一種單脈衝測量設備 ,在這種電磁環境下會產生因同時到達信號而引起的測量誤差 ∆φ i 。對於瞬時測頻來說 , 同時到達信號有兩種情況 :( 1)2 個信號的脈衝前沿同時到達 。第 1 路信號與第 2 路信號的幅度大小比值決定了此類同時到達信號的頻率測量的誤差 , 當第 1 路信號的幅度遠大於第 2 路信號時 ,頻率誤差就可以不考慮了 。當 2 個同時到達信號為連續波時 , 情況相同 ,輸出頻率取決於同時到達的 2 個信號的幅度比 , 當輸入一路的幅度遠大於另一路時 ,測頻誤差相對較小 。同時到達的 2 個信號之間存在一定的時間差 。( 2)當瞬時測頻接收機採用多個鑒相器並聯的工作方式時 ,每個鑒相器的延遲時間 T 不相等 , 頻率編碼所需的時間取決於並聯的鑒相器中延遲時間T 最長的 1 個 。在編碼過程中 , 編碼電路對電平變化十分敏感 。如果在先到達的第 1 路信號編碼過程中 ,第 2 路信號的脈衝前沿到達 ,疊加的信號引起鑒相器輸出電平的變化 , 從而導致了編碼過程中的相位誤差 ∆φ i 。實驗證明 , 在該條件下 , 測量所得的信號頻率有可能正確 , 但是可靠性很低 。在 2 路信號重疊時 ,編碼後輸出頻率在一定程上取決於哪個頻率的信號幅度大 , 很難進行定量分析。
注入鎖相瞬時測頻
近年來振盪器注定鎖相( Osillators Injection-Locked)技術在空間功率合成、波束掃描和波束控制等領域得到了很大的發展 。該技術以 Van der Pol 振盪器模型為基礎,主要研究注入信號和振盪器輸出信號之間的相位關係 , 並建立起振盪器陣列以實現不用移相器的相控陣天線。注入鎖定振盪器能有效地將注入信號的頻率信息轉換成相位信息 , 根據這一特點, 可用於瞬時頻率測量和頻率複製 , 首先利用注入鎖定振盪器將窄脈衝內微波載頻信號變換為低頻的相位信息 , 然後根據相位推算出信號頻率, 同時還可以控制振盪器輸出相同頻率的信號 。
注入鎖定振盪器工作原理
當注入信號頻率和 VCO 自由振盪頻率之差在一定範圍內時 , VCO 輸出信號頻率就等於注入信號頻率, 且兩者的相位差可由注入信號頻率來決定 。
注入鎖定時間和穩定性分析
在上述分析振盪器的注入鎖定現象時 , 注入信號是連續波形式, 這樣振盪器才能在注入信號的作用下發生鎖定現象。如果想利用振盪器的這種特性對窄脈衝的微波載頻進行頻率測量, 就必須對注入鎖定的時間和穩定性進行分析, 討論其最小鎖定時間, 也就是說振盪器能在多長時間內被注入信號鎖定 。
窄脈衝信號頻率測量
整個電路由注入鎖定振盪器、鑒相器 、低通濾波器、A/D 轉換、存儲器、D/A 轉換、檢波器等構成, 振盪器在單個脈衝持續時間內就能鎖定,因此可以在脈衝持續時間後期對鑒相器的輸出電壓進行採樣, 這些採樣數據碼就可作為注入信號頻率碼 。在脈衝消失後, 利用採樣數據形成調諧電壓控制振盪器 , 使得振盪器的輸出信號頻率鎖定在注入信號頻率上, 實現頻率複製 。
