多普勒信号模拟中微波矢量调制的校准方法

技术领域

本发明涉及微波信号发生领域，具体地说涉及一种多普勒信号模拟中微波矢量调制的 校准方法。

背景技术

在深空探测、卫星通信等领域，探测器及卫星相对地球的瞬时速度很高，这时通信信 号的多普勒频移会很高，如果通信系统设计不完善，会造成探测器及卫星失去控制，导致 发射任务失败，浪费大量的人力物力。因此设计这些通信系统时，要在实验室里模拟通信 信号的多普勒效应，对通信装置的可靠性进行评估，改善系统的设计。

雷达是军事及民用电子装备的重要门类，从问世至今70余年，以其在信息获取、武 器系统制导、测量评估等方面的独特优势，在二战及战后的各次重大局部战争及国民经济 中发挥着重要作用，雷达技术在某种程度上已成为衡量一个国家电子技术水平的重要标 志。随着雷达系统越来越复杂，在设计、制造、试验和应用阶段对雷达设备的分析和研究 也变得日益困难。当前，随着雷达测试的要求，雷达信号的模拟仿真技术也应运而生。雷 达信号模拟是模拟仿真技术与雷达技术相结合的产物。通过模拟仿真方法产生包含目标信 息的回波信号，对雷达系统进行调试、分析和评价，已成为现代雷达系统设计的必要手段。 雷达目标模拟信号发生器是一种对输入宽频雷达信号进行处理，加入代表一定距离与速度 的模拟目标后，在一定带宽下不失真回放出雷达目标信号的装置，能很好模拟和产生出以 相参雷达为代表的多种体制雷达目标回波信号。对雷达目标距离的模拟，是通过对输入雷 达信号存储及延迟回放实现的，延迟时间的长短对应了距离的远近，现在普遍采用数字射 频存储(DRFM)技术来实现。对雷达目标速度的模拟，是通过产生多普勒频移实现的，频 移的大小与速度成正比。对目标雷达横截面(RCS)的模拟，是通过改变输出信号的功率 实现的，功率越大代表雷达横截面越大。在微波宽频段上实现多普勒频移，可以采用传统 的混频技术，为了抑制混频产生的镜像信号，需要进行多次混频及滤波，微波电路极为复 杂。在微波宽频段上实现多普勒频移，也可以采用新型的矢量调制技术。使用矢量调制器， 进行IQ混频，理论上能够抑制混频产生的镜像信号，只需要进行一次混频，微波电路较 为简洁。

图1是某雷达目标模拟信号发生器的原理框图。该模拟器的输入输出频率范围为1— 18GHz，可以模拟2个独立的雷达目标。该模拟器使用一只微波下混频器，将微波频段的 输入雷达信号变换到中频，在中频上实现数字射频存储与回放，及多普勒频移的模拟。中 频信号再经90度功分后，至宽带微波矢量调制器进行IQ上混频，最后再经功率放大、程 控衰减后输出。

之所以在中频上进行信号处理，是因为所有的雷达信号都有一定带宽，在满足奈奎斯 特采样定理的情况下，在中频上实现数字射频存储与回放比较方便，而且现有的技术也无 法实现微波信号的直接采样及处理。中频多普勒频移的模拟是通过使用直接数字频率合成 (DDS)技术产生两路正交的多普勒信号，再通过矢量调制器产生带有多普勒频移的中频 信号，具体原理框图如图2所示。矢量调制器的原理框图如图3所示，它由一只90度功 分器、两只混频器和一只合路器构成。

为了实现目标速度的模拟，将多普勒源输出信号与数字射频存储模块输出的中频信号 进行矢量调制，由于多普勒频率较小，若采用传统混频方式，由于两个边带频率离得很近， 无法应用滤波方式进行载波和无用边带的抑制。理论上IQ混频方式只产生一个有用边带， 因此我们采用了矢量调制技术。

设中频信号为COSω_ift，多普勒频移电路的I路输出为COSω_ct，多普勒频移电路的Q 路输出为SINω_ct，则通过矢量调制器后的信号为

V_OUT＝COSω_ct·COSω_ift+SINω_ct·SINω_ift＝COS(ω_if-ω_c)t

若多普勒频移电路的I路输出为COSω_ct，多普勒频移电路的Q路输出为-SINω_ct，则 通过矢量调制器后的信号为

V_OUT＝COSω_ct·COSω_ift-SINω_ct·SINω_ift＝COS(ω_if+ω_c)t

由此可以看出，经过多普勒频移电路后，中频信号频率由ω_if变为ω_if+ω_c或ω_if-ω_c， 也就是说产生了多普勒频移效应。

为了产生相差可变的双路多普勒频移信号，需在普通直接数字频率合成器上设计相位 偏移电路，改变两个相位偏移寄存器的值，可以改变I路和Q路输出信号的相对相位差， 从而可以模拟雷达目标的径向方向。通过调整相位偏移寄存器的值，还可以微调I路和Q 路信号的相位差，以补偿中频IQ调制器中90度功分器的移相误差，从而提高边带抑制指 标。校准后中频输出信号的载波抑制及镜像抑制指标典型值优于-50dB。

为了便于说明原理，假设雷达目标模拟信号发生器输入点频信号cosω_it，不考虑相 移，经下混频后变为中频信号cosω_ift，ω_if＝ω_i-ω_lo，其中ω_lo为本振频率。经过多普勒 频移电路后中频信号变为cos(ω_i-ω_lo+ω_c)t，其中ω_c为多普勒频率。经微波矢量调制器 上混频后变为：

V_RF＝COSω_lot·COS(ω_i-ω_lo+ω_c)t-SINω_lot·SIN(ω_i-ω_lo+ω_c)t＝COS(ω_i+ω_c)t

也就是说，在射频信号频率ω_i上加入了多普勒频率+ω_c。同理，也可以在射频信号频 率ω_i上加入多普勒频率-ω_c。

宽带微波矢量调制器中宽带定向耦合器的设计是必须要解决的难题。要求定向耦合器 能够实现90度的相移，并且耦合度要保证为3dB，这样才能保证射频信号经过定向耦合器 能够产生功率相等且相位相差90度的I和Q信号，可采用对称渐变耦合线耦合器电路。 混频电路采用两个双平衡混频器电路。一个用于I信号的输入通道，一个用于Q信号的输 入通道。双平衡混频器的电路结构既能保证信号和本振端口有良好的隔离，同时可达多个 倍频程带宽。平衡-不平衡变换器的设计也是关键。I和Q信号的巴伦采用集中参数的抽头 耦合线圈形式，尺寸体积小。高频采用微带巴伦。国外宽带微波矢量调制器典型产品有 SM0218LC1CDQ，频率范围2—18GHz，IQ调制频率范围DC—500MHz，线性调制功率最大为 +5dBm，载波输入功率+13dBm，边带抑制20dB，载波抑制25dB，正交相位准确度典型值 ±10°，正交幅度准确度典型值±1dB。可以看出其技术指标是较差的。

由于宽带微波矢量调制器设计技术及工艺限制，其载波抑制、边带抑制等指标很不理 想。在微波频段上，直接对矢量调制器的幅度不平衡尤其是移相误差进行补偿是相当困难 的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种普勒信号模拟中微波矢量调制的校准方法，该 方法在中频上对微波矢量调制误差进行补偿，能大大提高设备的技术指标，改善设备的性 能。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：多普勒信号模拟中微波矢量调制 的校准方法，它包括以下步骤：

(1)补偿电路的设计

矢量调制器I路输入信号用符号I表示，Q路输入信号用符号Q表示，本振输入信号 用符号V_LO表示，射频输出信号用符号V_RF表示，则理想矢量调制器的传输函数可以表示为：

V_RF＝(I+jQ)·V_LO

矢量调制的主要误差为I路与Q路的幅度不平衡以及90度功分器的移相误差，对于 实际的矢量调制器，将I路的增益归一化为1，设Q路的增益误差k，实际90度功分器的 移相角度不是90°而是90°+δ，δ为移相误差，则实际矢量调制器的传输函数为：

V_RF＝I·V_LO+k·Q·V_LO·e^j(π/2+δ)＝I·V_LO+k·e^jδ·jQ·V_LO

通过实际矢量调制器的传输函数得出，在矢量调制器的Q输入端前面增加一个补偿电 路，该补偿电路的传输函数为e^-jδ/k，即一个增益为1/k，移相角度为-δ的电路，即能得 到理想矢量调制器的传输函数公式；

设计矢量调制校准电路，该电路包括两只程控放大器，分辨率达0.1dB，分别对I路 输入信号与Q路输入信号进行程控放大，以补偿矢量调制器的幅度不平衡，该电路还包括 两只宽带数控移相器，分别对I路中频信号与Q路中频信号进行移相，以补偿矢量调制器 的移相误差；

对于中频信号，移相可以通过延时来获得，设计N位数控延时器，可实现N位的宽带 数控移相器，每一级电路由两只单刀双掷开关、延时线构成，通过控制，可以选择不延时 或者延时，每级的移相角度呈倍数关系，对于中频信号中心频率，若第一级的移相为φ度， 则第二级的移相为2φ度，第三级的移相为4φ度，第四级的移相为8φ度，依次类推， 第N级的移相为2^N-1φ度，四阶数控移相器可实现的移相范围为0—15φ度，移相分辨率 为φ度，对不同的中频信号，移相分辨率不同，频率增高时，该电路的移相分辨率有所 下降；

延时线采用微带传输线，微带传输线的特征阻抗设计为50Ω，根据印制板的介电常数 εr，印制板介质的高度h，通过计算能够得到印制板的线宽w；

一个波长的距离，代表了360°相位的改变，因此一段长度的传输线，对于某个频率， 对应了一定的相位改变，移相角度θ表示为：

θ＝360L/λ

式中θ的单位为度，L为传输线的长度，λ为波长；

(2)增益误差k以及移相误差δ的计算

将待校准设备的EXI I输入端与EXT Q输入端连接至双路函数发生器的信号输出端， 将设备的输出端连接至频谱仪的输入端，将GPIB电缆连接好，运行设备里的矢量调制校 准软件，设备分别对本机、函数发生器、频谱仪进行程控；

然后分两个步骤进行计算，第一个步骤得到矢量调制幅度不平衡校准数据，第二个步 骤得到矢量调制移相误差校准数据：(一)设备控制本机的本振进行扫频，对每一个频率 点，控制函数发生器输出正弦信号，频率为设备中频的中心频率，先输出I路信号，关闭 Q路信号，控制频谱仪进行测量，得到矢量调制器输出信号两个边带的总功率，关闭I路 信号，输出Q路信号，控制频谱仪进行测量，得到矢量调制器输出信号两个边带的总功率， 求这两个功率的差值，可以得到矢量调制器Q路相对于I路的增益误差k，得到矢量调制 器的增益误差k后，保存至幅度校准数据中；(二)本振重新进行扫频，控制矢量调制校 准电路的程控放大器，对每个频率点的增益进行补偿，控制函数发生器输出信号频率为设 备中频的中心频率，两路信号同时输出，相位差90度，控制两路4位宽带数控移相器的 相对相位，从最小值到最大值进行扫描，同时控制频谱仪进行测量，分别得到矢量调制器 输出信号中有效信号及镜像信号的功率，求这两个功率的差值，可以得到矢量调制器镜像 抑制指标，对同一频点的多次测量镜像抑制指标进行检索，找到镜像抑制指标最大的点， 其对应的数控移相器相对相位即为移相补偿值-δ，如此，得到每个频率点的移相补偿值， 并保存至移相校准数据中，完成以上步骤后，拆掉与设备相连的测试仪器；

(3)增益误差k以及移相误差δ的补偿

以后设备的本振每输出一个频率，就取出该频点的幅度校准数据1/k和移相校准数据 -δ，控制矢量调制校准电路，对矢量调制器的误差进行补偿。

依据本发明提供的多普勒信号模拟中微波矢量调制的校准方法，对宽带微波矢量调制 器进行补偿后，矢量调制器输出信号的载波抑制及镜像抑制指标改善20dB，典型值优于 40dB，大大提高了系统的技术性能。

附图说明

图1是某雷达目标模拟信号发生器原理框图。

图2是多普勒频率产生原理框图。

图3是矢量调制器原理框图。

图4是本发明电路原理框图。

图5是数控移相器原理框图。

图6是微带传输线示意图。

图7是矢量调制校准仪器连接示意图。

图8是矢量调制校准算法软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

参见图4、图5、图6、图7和图8。

多普勒信号模拟中微波矢量调制的校准方法，它包括以下步骤：

(1)补偿电路的设计

矢量调制器I路输入信号用符号I表示，Q路输入信号用符号Q表示，本振输入信号 用符号V_LO表示，射频输出信号用符号V_RF表示，则理想矢量调制器的传输函数可以表示为：

V_RF＝(I+jQ)·V_LO

矢量调制的主要误差为I路与Q路的幅度不平衡以及90度功分器的移相误差，对于 实际的矢量调制器，将I路的增益归一化为1，设Q路的增益误差k，实际90度功分器的 移相角度不是90°而是90°+δ，δ为移相误差，则实际矢量调制器的传输函数为：

V_RF＝I·V_LO+k·Q·V_LO·e^j(π/2+δ)＝I·V_LO+k·e^jδ·jQ·V_LO

通过实际矢量调制器的传输函数得出，在矢量调制器的Q输入端前面增加一个补偿电 路，该补偿电路的传输函数为e^-jδ/k，即一个增益为1/k，移相角度为-δ的电路，即能得 到理想矢量调制器的传输函数公式；

设计矢量调制校准电路，其原理框图如图4所示，该电路包括两只程控放大器，分辨 率达0.1dB，分别对I路输入信号与Q路输入信号进行程控放大，以补偿矢量调制器的幅 度不平衡，该电路还包括两只宽带数控移相器，分别对I路中频信号与Q路中频信号进行 移相，以补偿矢量调制器的移相误差；

对于中频信号，移相可以通过延时来获得。设计4位数控延时器，可实现4位的宽带 数控移相器。该数控移相器带宽为一个倍频程，群时延特性优良，其原理框图如图5所示。 每一级电路由两只单刀双掷开关、延时线构成，通过控制，可以选择不延时或者延时。每 级的移相角度呈倍数关系。对于中频信号中心频率，若第一级的移相为1度，则第二级的 移相为2度，第三级的移相为4度，第四级的移相为8度。故该四阶数控移相器可实现的 移相范围为0～15度，移相分辨率为1度。对不同的中频信号，移相分辨率不同，频率增 高时，该电路的移相分辨率有所下降；

延时线采用微带传输线，如图6所示，微带传输线的特征阻抗为：

$Z_0=\frac{Z_f}{2\pi \sqrt{{ϵ}_{\mathrm{eff}}}}\ln (\frac{8h}{w}+\frac{w}{4h})$

其中Z_f＝376.8Ω，有效介电常数ε_eff为：

${ϵ}_{\mathrm{eff}}=\frac{{ϵ}_r+1}{2}+\frac{{ϵ}_r-1}{2}[{(1+\frac{12h}{2})}^{-1/2}+0.041{(1-\frac{w}{h})}^2]$

当w/h<1时，微带传输线的特征阻抗设计为50Ω，根据印制板的介电常数εr，印制 板介质的高度h，通过计算能够得到印制板的线宽w，并且满足w/h<1；

微带传输线的相速度为：

$V_p=c/\sqrt{{ϵ}_{\mathrm{eff}}}$

其波长λ为：

$\lambda =\frac{v_p}{f}=\frac{c}{f\sqrt{{ϵ}_{\mathrm{eff}}}}=\frac{{\lambda }_0}{\sqrt{{ϵ}_{\mathrm{eff}}}}$

式中c是光速，f是频率，一个波长的距离，代表了360°相位的改变，因此一段长 度的传输线，对于某个频率，对应了一定的相位改变，移相角度θ表示为：

θ＝360L/λ

式中θ的单位为度，L为传输线的长度，λ为波长；

(2)增益误差k以及移相误差δ的计算

正常情况下，矢量调制器的幅度误差与移相误差对输出信号的失真都有贡献，两者交 织在一起，把它们分解出来是一个技术难题，本发明的思路是，在测量其中一个误差时， 设法将另一个误差的影响去除，那么就比较容易解决了；

进行矢量调制校准时仪器连接示意图如图7所示，将待校准设备的EXI I输入端与EXT  Q输入端连接至双路函数发生器的信号输出端，将设备的输出端连接至频谱仪的输入端， 将GPIB电缆连接好，运行设备里的矢量调制校准软件，设备分别对本机、函数发生器、 频谱仪进行程控；

然后分两个步骤进行计算，第一个步骤得到矢量调制幅度不平衡校准数据，第二个步 骤得到矢量调制移相误差校准数据，矢量调制校准算法软件流程图如图8所示：(一)设 备控制本机的本振进行扫频，对每一个频率点，控制函数发生器输出正弦信号，频率为设 备中频的中心频率，先输出I路信号，关闭Q路信号，控制频谱仪进行测量，得到矢量调 制器输出信号两个边带的总功率，关闭I路信号，输出Q路信号，控制频谱仪进行测量， 得到矢量调制器输出信号两个边带的总功率，求这两个功率的差值，可以得到矢量调制器 Q路相对于I路的增益误差k，得到矢量调制器的增益误差k后，保存至幅度校准数据中； (二)本振重新进行扫频，控制矢量调制校准电路的程控放大器，对每个频率点的增益进 行补偿，控制函数发生器输出信号频率为设备中频的中心频率，两路信号同时输出，相位 差90度，控制两路4位宽带数控移相器的相对相位，从最小值到最大值进行扫描，同时 控制频谱仪进行测量，分别得到矢量调制器输出信号中有效信号及镜像信号的功率，求这 两个功率的差值，可以得到矢量调制器镜像抑制指标，对同一频点的多次测量镜像抑制指 标进行检索，找到镜像抑制指标最大的点，其对应的数控移相器相对相位即为移相补偿值 -δ，如此，得到每个频率点的移相补偿值，并保存至移相校准数据中，完成以上步骤后， 拆掉与设备相连的测试仪器；

(3)增益误差k以及移相误差δ的补偿

以后设备的本振每输出一个频率，就取出该频点的幅度校准数据1/k和移相校准数据 -δ，控制矢量调制校准电路，对矢量调制器的误差进行补偿。

本发明思想的实质是通过对输入信号进行预失真处理，以补偿矢量调制器的失真，通 过对中频信号的预失真处理，消除了射频信号的失真。解决了在微波频段上，难以直接对 矢量调制器的幅度不平衡以及移相误差进行补偿的技术难题。

应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，本领域技术人员可根据它做出各种 修改或变化，在不脱离本发明的精神实质的情况下，都属于本发明的保护范围。