X頻段信標(biāo)機的設(shè)計與實現(xiàn)*

，薛 軍，謝 勇

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

X頻段信標(biāo)機的設(shè)計與實現(xiàn)*

梁 盛，潘高峰**，薛 軍，謝 勇

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

為滿足船載X頻段測控設(shè)備信道相位修正和伺服性能檢查的需要，設(shè)計并研制了一款X頻段信標(biāo)機。首先，選用HMC765LP6CE芯片，利用頻率合成技術(shù)設(shè)計了信源并通過通用串行總線(USB)實現(xiàn)了發(fā)射頻率用戶自定義；其次，針對安裝平臺面積小的限制，基于高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)設(shè)計了高次模微帶天線并完成了仿真分析和指標(biāo)優(yōu)化；最后，完成了X頻段信標(biāo)機的工程實現(xiàn)并給出了硬件電路結(jié)構(gòu)和軟件程序設(shè)計方法。經(jīng)測試,該信標(biāo)機鎖相效果良好，控制簡便，性能可靠,滿足用戶使用要求。

X頻段測控設(shè)備;信標(biāo)機設(shè)計;直接頻率合成;微帶天線

1 引 言

因遠洋測控的特殊性，船載X頻段測控系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)受鹽霧、濕度、溫差等因素的影響較大，其信道相位有可能發(fā)生變化，同時也有必要對伺服跟蹤性能等進行標(biāo)校檢查。在海上無標(biāo)校塔的情況下，通常采用放球方式。所謂放球，就是釋放攜帶有信標(biāo)的探空氣球，測控設(shè)備對信標(biāo)進行跟蹤并開展相關(guān)技術(shù)驗證的過程[1]。氣球所攜帶的信標(biāo)是一種射頻信號發(fā)生器，能夠通過天線發(fā)射適用于測控設(shè)備跟蹤的信號。

中國衛(wèi)星海上測控部是國內(nèi)唯一負責(zé)完成海上測控試驗任務(wù)的單位，且用于海上無塔標(biāo)校的信標(biāo)機因應(yīng)用環(huán)境特殊、頻段需求多樣、小型化和可靠性要求高等因素導(dǎo)致國內(nèi)廠商的新研成本很高、研制周期較長，所以有必要以滿足用戶使用要求為出發(fā)點，依靠自身技術(shù)能力，設(shè)計并研制一款應(yīng)用于?；脚_無塔標(biāo)校的X頻段信標(biāo)機。

2 信源設(shè)計

X頻段信標(biāo)機的信源須具備頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、工作穩(wěn)定可靠、輸出信號頻譜純度高等特點。本文采用了直接頻率合成技術(shù)，通過相參合成方法，基于Hittite公司的HMC765LP6CE芯片開展信源的設(shè)計研制。此頻率合成器具備驅(qū)動混頻器等模擬器件的能力，內(nèi)部集成了壓控振蕩器、鑒相器、移位寄存器以及電荷泵，其中還包括R與N兩個分頻器[2]，可以很大程度上減小噪聲對鎖相環(huán)路帶來的不利影響，從而提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。主要技術(shù)參數(shù)[3]：輸入?yún)⒖碱l率100 kHz～220 MHz,基波輸出的頻率范圍7.8～8.8 GHz,典型輸出功率13 dBm。

在工程應(yīng)用中，可利用SPI總線通過改寫內(nèi)部寄存器方式對輸出頻率進行設(shè)置，此配置方式簡單高效，僅需通過簡單的三線式串行接口即可實現(xiàn)。HMC765LP6CE芯片功能框圖如圖1所示，引腳28～30為SPI控制端，引腳18為電荷泵輸出。

圖1 頻率合成器HMC765LP6CE功能框圖Fig.1 Functional block diagram of HMC765LP6CE

3 天線設(shè)計

X頻段信標(biāo)機在實際使用中外掛在探空氣球下方且在放飛過程中不可避免會出現(xiàn)姿態(tài)翻滾，所以對其安裝平臺的小型化、輻射指向性要求較高。本文基于電磁場仿真軟件HFSS設(shè)計一款小型化高次模微帶天線以滿足上述需求。此天線采用貼片形式，仿真模型如圖2所示，圖示中隱藏了采用尼龍材料的透波天線罩。

圖2 高次模微帶天線仿真模型

根據(jù)工程經(jīng)驗，定義此天線的貼片尺寸:基片半徑為20 mm，高度為1.4 mm;輻射貼片長度為19.5 mm，寬度為20.3 mm。將圖2所示模型在HFSS進行仿真分析，并以饋電位置為參數(shù)進行性能優(yōu)化，最終的仿真結(jié)果如圖3所示。

(a)方向圖

(b)駐波比仿真結(jié)果圖3 方向圖與駐波比仿真結(jié)果Fig.3 Simulation result of radiation pattern and voltage standing-wave ratio

從仿真結(jié)果可知，頻率在8.5 GHz±10 MHz內(nèi)的駐波比≤1.46；增益最大值為4.28 dB(仰角61°)，水平方向增益>0.33 dB，垂直方向增益最?。惶炀€方向圖形狀為“8”字形，水平360°全向。

在工程實現(xiàn)中，受電路板金屬敷料影響，天線方向圖會略微向上偏轉(zhuǎn)，水平方向的天線增益略有損失，但仍然滿足增益≥0 dB的指標(biāo)要求。研制的天線實物如圖4所示。

圖4 天線實物圖Fig.4 Photo of the developed higher-order mode micro-strip antenna

4 X頻段信標(biāo)機工程實現(xiàn)

X頻段信標(biāo)機的原理框圖如圖5所示。由圖可見，X頻段信標(biāo)機采用有源晶振作為統(tǒng)一參考源，其他所需頻率均由參考源分頻、混頻和倍頻得到，從而保證了頻率的精度和穩(wěn)定度。單片機選用C8051F320，利用其集成USB控制器的特點，方便實現(xiàn)上位機的控制[4]。其工作原理為單片機通過接收USB通道的控制信息或讀取片內(nèi)寄存器的對應(yīng)扇區(qū)，對預(yù)分頻器和鑒相器進行參數(shù)控制，預(yù)分頻器輸出信號與參考信號進入鑒相器后輸出誤差信號，誤差信號經(jīng)低通濾波、放大后控制壓控振蕩器產(chǎn)生X頻段射頻信號，該射頻信號分為兩路輸出：一路經(jīng)放大器、隔離器后通過天線發(fā)出；另一路經(jīng)耦合器反饋至預(yù)分頻器，形成閉環(huán)。

圖5 X頻段信標(biāo)機原理框圖Fig.5 Functional block diagram of X-band beacon

4.1硬件電路設(shè)計

本文方案中選用50 MHz作為環(huán)路的參考時鐘輸入，鎖相環(huán)路中的VCO輸出上、下限值分別為8.8 GHz和7.8 GHz。在圖1中，HMC765LP6CE(簡稱HMC765)的引腳28～30分別與C8051F320的3個通用I/O口相連，通過C8051F320向HMC765寫入控制字以實現(xiàn)改變或設(shè)置輸出頻點的功能。

鑒相器的誤差信號送入電荷泵，電荷泵將這個誤差信號轉(zhuǎn)化成直流信號(含部分高頻分量)后送入環(huán)路濾波器后，由HMC765引腳18(CP)輸出，將引腳18與引腳6(VTUNE)短接，使信號最后鎖定在X頻段，最終的射頻信號由引腳38(RFOUT)產(chǎn)生。

在鎖相環(huán)設(shè)計中，環(huán)路濾波器的選擇和設(shè)計是非常重要的一環(huán)，其質(zhì)量直接決定了鎖相環(huán)的性能指標(biāo)的高低。無源環(huán)路濾波器設(shè)計簡單、成本低并且對帶內(nèi)相位噪聲影響小，但是在本方案設(shè)計中，壓控振蕩器的調(diào)諧電壓比較高，鑒相器的輸出電壓不足以提供其調(diào)諧電壓，因此必須采用有源環(huán)路濾波器。這里采用了常用的三階有源環(huán)路濾波器，所選擇的運算放大器為ADI公司的AD822芯片，其單端輸出電壓3～36 V，滿足設(shè)計需要。

4.2軟件設(shè)計

為提高X頻段信標(biāo)機的適應(yīng)性，實現(xiàn)頻段內(nèi)任意頻率可設(shè)，需要通過上位機進行控制。其中，上位機負責(zé)編排指令幀，考慮到接口通用性，采用USB接口進行指令發(fā)送；單片機負責(zé)接收指令，在將指令幀存入片內(nèi)寄存器的同時寫入HMC765寄存器進行頻率控制。

4.2.1單片機軟件設(shè)計

單片機程序流程如圖6所示，主要功能為USB通信配置、讀寫片內(nèi)寄存器、SPI通信配置，初始化端口配置、USB模式配置、讀取片內(nèi)寄存器數(shù)據(jù)以及對HMC765寄存器進行寫操作。當(dāng)USB接口完成匹配并接收到上位機指令幀時，需將數(shù)據(jù)按照先擦除再寫入原則放入片內(nèi)寄存器，并同步將數(shù)據(jù)通過SPI總線按照操作時序?qū)懭際MC765寄存器，完成頻率設(shè)置，實現(xiàn)用戶自定義配置。

圖6 單片機程序流程圖Fig.6 Program flow chart of SCM

4.2.2上位機軟件設(shè)計

X頻段信標(biāo)機需要根據(jù)任務(wù)實際，靈活配置頻率。上位機軟件的功能是對用戶輸入的頻率值進行轉(zhuǎn)換組幀，并通過USB口發(fā)出。

研制中為減少單片機程序編寫難度，數(shù)據(jù)幀除幀頭、幀尾外，數(shù)據(jù)域嚴格按照HMC765寄存器中頻率設(shè)置單元進行編制，數(shù)據(jù)域內(nèi)容由HMC765的頻率轉(zhuǎn)換公式直接轉(zhuǎn)換產(chǎn)生。本文采用Delphi進行程序設(shè)計，對于USB調(diào)用采用Silicon Labs提供的USB Xpress開發(fā)包[5]，將SiUSBXp.h轉(zhuǎn)為SiUSBXp.pas，配合SiUSBXp.dll動態(tài)鏈接庫，可以方便地實現(xiàn)USB串行通信。程序運行界面如圖7所示。

圖7 主程序運行界面Fig.7 Interface of main program

5 測試驗證

硬件電路與軟件設(shè)計完成后，2014年擇機在東海某海域釋放了探空氣球，對X頻段信標(biāo)機的信標(biāo)信號質(zhì)量進行了測試，徑向距離14 km，下行點頻8.45 GHz，在遠洋測量船機房對射頻頻譜進行截圖，如圖8所示。由圖可見，頻譜純度較好，信號強度為-15.8 dBm，雜波抑制度30 dBc，滿足用戶使用要求。

圖8 測試頻譜圖Fig.8 Test spectrum

本文研制的X頻段信標(biāo)機在探月工程二期?；脚_適應(yīng)性跟蹤中得到了實際應(yīng)用，滿足了用戶海上無塔標(biāo)校及伺服性能檢查的需要，發(fā)揮了重要作用。

6 結(jié) 論

本文根據(jù)船載X頻段測控設(shè)備海上無塔標(biāo)校及伺服性能檢查的需要，設(shè)計并研制了一款X頻段信標(biāo)機。該信標(biāo)機以頻率合成器HMC765LP6CE為射頻源，通過USB總線可以完成輸出頻率的用戶自定義?；贖FSS設(shè)計研制了貼片式高次模微帶天線，實現(xiàn)了射頻信號的有效輻射。實踐證明，信標(biāo)機信號質(zhì)量良好，頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度和雜波抑制度等指標(biāo)達到設(shè)計要求，滿足海基平臺測控設(shè)備需求。

[1] 鐘德安.航天測量船測控通信設(shè)備標(biāo)校與校飛技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[2] Hittite Company.HMC765LP6CE data sheet[M].Massachusetts:Hittite Company,2011.

[3] 薛軍,于新峰. S頻段擴頻信標(biāo)設(shè)計與仿真[C]//2010年載人航天研討會論文集.杭州：中國載人航天工程辦公室，2010:641-643.

[4] 潘琢金.C8051F高速SOC單片機原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[5] Silicon Labs.AN169 USBXpress programmer′s guide[M].Austin,Texas:Silicon Labs,2011.

DesignandImplementationofanX-bandBeacon

LIANG Sheng,PAN Gaofeng,XUE Jun,XIE Yong

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China)

An X-band beacon is designed and implemented to satisfy the need of phase correction and servo performance checking for shipborne X-band tracking,telemetry and command(TT&C) system. HMC765LP6CE is used as signal source by frequency synthesis technique and customized definition of transmitting frequency is realized via universal serial bus(USB).For the limitation of small area of installation platform,high-order mode micro-strip antenna is designed based on High Frequency Structure Simulator(HFSS) and simulated analysis and index optimization are completed.Finally,hardware circuit structure and software design approach for the X-band beacon are given.Test indicates that this beacon satisfies user′s requirements and has many advantages such as working well in phase-lock,easy operation and dependable performance.

X-band TT&C equipment;beacon design;direct frequency synthesis;micro-strip antenna

date:2016-11-25；Revised date：2017-04-11

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.09.019

梁盛，潘高峰，薛軍，等.X頻段信標(biāo)機的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2017,57(9):1088-1091.[LIANG Sheng,PAN Gaofeng,XUE Jun,et al.Design and implementation of an X-band beacon[J].Telecommunication Engineering,2017,57(9):1088-1091.]

TN836

：A

：1001-893X(2017)09-1088-04

梁盛(1985—)，男，江蘇揚州人，2011年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航天測控總體技術(shù)方面研究；

Email：murongxd@163.com

潘高峰(1972—)，男，遼寧錦州人，1995年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事智能儀器、自動測試系統(tǒng)方面研究；

Email:pgfzhy@163.com

薛軍(1971—)，男，內(nèi)蒙包頭人，2002年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事航天測控總體技術(shù)方面研究；

謝勇(1972—)，男，江西余江人，2004年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事航天測控總體技術(shù)方面研究。

2016-11-25；

：2017-04-11

**通信作者：pgfzhy@163.com Corresponding author：pgfzhy@163.com