導航L波段多通道下變頻器的設計

王緒寧，孫書良，陳 強

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展，各種導航系統(tǒng)的交互應用日益緊密，衍生出來的各種組合導航系統(tǒng)都對接收下變頻器提出了更高的要求。衛(wèi)星導航跟蹤站系統(tǒng)對接收下變頻器要求更高，要求小型化、低功耗。對設備的體積限制在100 mm×80 mm×30 mm范圍內(nèi)，對功耗要求＜5 W。該設備同時要求相位噪聲指標在100 Hz處 ＜ －85 dBc/Hz［1］;1 kHz處 ＜－90 dBc/Hz;10 kHz處 ＜ －95 dBc/Hz;100 kHz處＜ －100 dBc/Hz。

以上關(guān)于體積、功耗以及相位噪聲的要求對下變頻器是一個全新的挑戰(zhàn)，以往地面系統(tǒng)中單路下變頻器的體積要求就差不多這么大，而這個項目中要求設計8個通道的下變頻，難度是相當大的，設計難點在于多通道的雜散抑制、低功耗和散熱等。先期采購的業(yè)界產(chǎn)品體積都較大，體積達到180 mm×100 mm×40 mm，本設計突破傳統(tǒng)的微波電路設計理念，突破電路設計極限，研制出滿足要求的產(chǎn)品。

1 本振設計

衛(wèi)星導航跟蹤站系統(tǒng)要求設計的多通道下變頻器頻率配置如表1所示。

表1 多通道下變頻器頻率配置

從表1可看出，本振頻率覆蓋1 050～1 480 MHz［2］，目前成熟應用的內(nèi)置 VCO的 PLL芯片有ADF4350、HMC830 和 RFFC5071 等［3］，從相位噪聲指標上說 HMC830優(yōu)于 ADF4350，RFFC5071相噪與HMC830幾乎相當，功耗上 RFFC5071優(yōu)于HMC830和ADF4350。以上3款芯片的功耗分別為HMC830∶1.2 W，ADF4350:0.4 W，RFFC5071∶0.3 W，8路信號分別約為10 W、3 W 和 2.5 W，在以上3款PLL芯片中，優(yōu)選RFFC5071，該芯片功耗最低，相噪指標好，而且該芯片內(nèi)置混頻器，可以配置高線性狀態(tài)，高線性狀態(tài)下輸入IP3為+23 dBm，電流為125 mA，功耗為0.375 W。

為了追求低功耗、小型化，期望電流能夠達到最小。顯然RFFC5071芯片相對來說已經(jīng)具有很低的功耗，但這個功耗還不是最小的。在內(nèi)置VCO的鎖相芯片產(chǎn)生之前，都是采用分立器件實現(xiàn)本振源［4］，即由鑒相器、VCO和環(huán)路濾波器組成，PLL芯片采用ADF4112、VCO由MINI廠家生產(chǎn)，無源環(huán)路濾波由 R、C 組成［5，6］。該組成功耗為 0.127 W，這個功耗近乎只有RFFC5071的30%，而且據(jù)工程經(jīng)驗分立器件環(huán)路鎖相源相噪指標滿足設計要求，該方案缺點在于電路稍微復雜一些，成本略高一些。

2 混頻器選擇

在以往的工程中成熟應用的混頻器有SYM－25D、HMC422、HMC915、HMC217MS8 和 MAX2681等［7］，以上器件的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 混頻器技術(shù)參數(shù)

從表2可以看出，以上5種混頻器HMC915的指標最好，但該器件的功耗太大，不符合低功耗的要求;MAX2681的輸入IP3指標最差，但是綜合它的LO電平和增益［8］，這款芯片還是具有較大的優(yōu)勢，通過優(yōu)化輸入信號鏈路放大器增益，可以避免IIP3指標對下變頻器整機的性能影響，而且相對其他4種混頻器，它是有正增益的，相當于省下了一級15 dB增益的放大器件。就體積來說，該器件也是上述器件中最小的，符合小型化設計的需求，唯一相對麻煩的是，它的各端口隔離度是靠外圍L、C濾波實現(xiàn)的［9］，根據(jù)頻點的不同，電感電容的值略有不同，但這些都是可以在設計過程中固化的。

3 放大器件的選擇

在以往的工程中成熟應用的放大器有ERA－3SM、UPC2712、SBF －5043、ERA －5SM 和 SBB －4089等，以上器件的技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 放大器技術(shù)參數(shù)

從表3可以看出，以上5種放大器件中，性能指標最好的是SBB－4089［10］，該器件具有較高的線性度，帶內(nèi)增益非常平坦，但是其功耗較大，用在本設計中不符合低功耗的設計理念。而SBF－5043器件電流可調(diào)，在中頻段可以低電流狀態(tài)獲得很大的增益，在高頻段該器件增益約為14 dB，易于級連，避免電路自激，該器件電流僅為10 mA，具有較高的線性度，外圍電路簡單，體積小，基于以上特點，本設計放大器選擇SBF－5043。

4 電路設計

微波電路設計通常采用介電常數(shù)較低的聚四氟乙烯雙層板材，這樣電路可以有較小的線路損耗，獲得較好的微波特性，然而本設計中電路集成度太高，雙層板不可能實現(xiàn)，所以本設計采用介電常數(shù)4.7的環(huán)氧樹脂4層板材。多通道下變頻器的原理圖如圖1所示。

圖1 變頻器原理

多通道下變頻器設計采用2塊PCB，每個PCB上布局4個下變頻通道，時頻10 MHz分路通常采用功分器進行，以實現(xiàn)嚴格的阻抗匹配，但本設計需進行小型化設計，眾多的功分器組，或者1分8路功分器均占較大的面積，且走線復雜，易串入低頻干擾，本設計為了小型化，采用直接在輸入時頻信號線路上分8根時頻線，不考慮阻抗匹配，分8路后的時頻信號均通過SN74AHC1G04DBVR非門整形成方波后送入鑒相器 ADF4112，工程實踐表明該方法有效。

圖1中，射頻信號的功分網(wǎng)絡為了小型化摒棄了以往采用功分器件的方法，射頻信號輸入后進行2級放大，然后接數(shù)控衰減器，數(shù)控衰減器輸出后直接分成2路信號線，此處不考慮50 Ω阻抗匹配，分成2路射頻信號分別通過T型電阻網(wǎng)絡分成4路，其損耗用1級放大器補償即可。分路后的8路信號分別進行射頻濾波處理送入混頻器作為混頻器的RF信號。

考慮到印制板上的器件過多，印制板設計采用分層次設計，即變頻及中頻放大濾波在正面，本振設計在背面，射頻放大器、數(shù)控衰減器和射頻功分網(wǎng)絡布局在兩面均有，與其他信號隔腔處理。由于器件多，走線復雜，印制板4層信號分別設計依次為:信號層1、地層1、地層2和信號層2。信號層1與地層1走線過孔采用埋盲孔，信號層2與地層2走線過孔采用埋盲孔，這樣走線避免串擾，地層1、地層2兼布一些控制線。本振設計均在背面，屏蔽盒中間對每路本振信號均隔腔處理。

8 個通道的鑒相器 ADF4112［11，12］的寄存器配置應用單片機PIC12C508A，這樣就可以避免單片機集中控制帶來的走線過多問題，這樣有利于分腔屏蔽。數(shù)控衰減器的配置采用單片機ATMEGA8L，輸出的串口數(shù)據(jù)經(jīng)ADM101轉(zhuǎn)換為RS232，直接與計算機通信。電源處理采用開關(guān)穩(wěn)壓器與LDO混合應用，開關(guān)穩(wěn) 壓器采 用 LT3972EMSE，LDO 選 用HMC1060，這樣可以提供電源效率，降低由于全部應用線性穩(wěn)壓器帶來的熱量損耗。最終設計的接收多通道下變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)的功能如下:①溫度檢測功能(DS1620);② 增益控制功能(HMC624LP4);③過壓過流檢測(MAX4375);④本振鎖定指示檢測;⑤ 提供 LNA電源;⑥ LNA故障檢測(MAX4375)。接收多通道下變頻器的腔體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 接收多通道下變頻器結(jié)構(gòu)

為了增強抗電磁干擾性能，屏蔽蓋板上設計隔腔卡槽，同時要求固定蓋板的螺釘盡可能的多一些。

5 加工測試及結(jié)果分析

接收多通道下變頻器的實物圖如圖3所示。接收多通道下變頻器的測試技術(shù)指標如表4所示。

圖3 接收多通道下變頻器實物圖

表4 下變頻器實測指標

從測試結(jié)果可以看出，測試指標完全滿足設計要求，以上指標相比業(yè)界廠家訂制產(chǎn)品的指標均有所提高。從圖3可以看出，自研的產(chǎn)品外型上尚有較大的改進空間。內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)也有一定的改進空間，通過合理的、精細化的電路設計，可以將屏蔽盒內(nèi)的2個隔腔去掉，這樣在安裝上可以更方便一些。

6 結(jié)束語

經(jīng)過小型化、低功耗設計的接收多通道下變頻器完全滿足設計要求，同時也積累了很多設計經(jīng)驗，如此類多通道下變頻器只需要對本振進行隔腔處理，其他部分不用分腔。從圖2可以看出，如果改變固定方式的話，體積可以縮小到≤77.5 mm×70 mm×26 mm，通過優(yōu)化鏈路增益，可以進一步降低功耗。

本設計與業(yè)界廠家訂制的產(chǎn)品比較，體積和功耗均小，同時指標也優(yōu)于各廠家產(chǎn)品。該設計為具有同類設計需求的項目提供了設計參考，同時設備還具有進一步的改進空間，通過加強合理化布局，能夠進一步縮小體積。

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