Ku波段收發(fā)組件設計分析

姚若妍，魏 斌

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

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Ku波段收發(fā)組件設計分析

姚若妍，魏 斌

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

摘 要：該Ku波段收發(fā)組件包括發(fā)射雙通道上變頻和接收下變頻兩部分內(nèi)容。雙通道上變頻模塊包括本振、上變頻器、濾波器、放大器、耦合器、隔離器、開關(guān)等。雙通道上變頻模塊的發(fā)射通路具有耦合輸出，可以接到接收通道耦合輸入，用來形成發(fā)射通道與接收通道的自閉環(huán)，完成系統(tǒng)自檢測試功能。下變頻通道前端主要由低噪聲放大器、耦合器、混頻器以及中頻濾波和放大器組成。

關(guān)鍵詞：發(fā)射機；接收機；Ku波段

1　引言

毫米波技術(shù)是當今微波界最為敏感的課題之一，在現(xiàn)代雷達、制導武器、通信、電子對抗等電子系統(tǒng)中得到廣泛應用。同時，以收發(fā)組件為核心的相控陣技術(shù)在通信、雷達等領(lǐng)域也得到廣泛重視[1]。一部相控陣天線系統(tǒng)包含幾十乃至成千上萬個T/R組件[2]，高性能、高可靠性、低成本的收發(fā)組件是相控陣系統(tǒng)重要的關(guān)鍵技術(shù)。因此，本文對毫米波收發(fā)組件進行研究，其具有頻率高、波長短、波束窄、精度高、抗干擾能力強和容量大等特點。在毫米波通信方面國外已經(jīng)相當成熟，由于工藝等因素的限制，國內(nèi)對毫米波收發(fā)組件的研究起步相對較晚?？偟膩砜矗撩撞ㄊ瞻l(fā)組件正在逐步向小型化、輕量化、寬帶化、固態(tài)化和集成化方向發(fā)展[3]，這些都充分說明了毫米波收發(fā)組件是一種很有發(fā)展前景的無線通信技術(shù)。

2　原理結(jié)構(gòu)圖和性能指標

由于雷達系統(tǒng)性能要求的差異，收發(fā)組件的實際組成和具體電路的復雜程度不盡相同，但基本原理組成框圖是差不多的，主要由接收通道、發(fā)射通道、本振和電源轉(zhuǎn)換等組成[4]。圖1為該Ku波段收發(fā)組件的功能組成框圖。1 MHz的參考時鐘經(jīng)放大和兩次倍頻后分別得到頻率為16 GHz和16.14 GHz的本振信號，功率均為13 dBm。兩本振信號分別用于發(fā)射通道的上變頻和接收通道的下變頻。

圖1　Ku波段收發(fā)組件原理結(jié)構(gòu)圖

Ku波段收發(fā)組件的性能指標如下所示。

(1) 發(fā)射波形信號輸入功率：-5～0 dBm；

(2) 發(fā)射波形信號頻率范圍：1±0.2 GHz；

(3) 本振波形信號輸入功率：-5～0 dBm；

(4) 本振波形信號頻率范圍：1±0.2 GHz；

(5) 參考時鐘輸入頻率：100 MHz；

(6) 參考時鐘輸入功率：5 dBm；

(7) 發(fā)射功率：13 dBm；

(8) 發(fā)射頻率范圍：17±0.2 GHz；

(9) 接收噪聲系數(shù)：＜15 dB；

(10)接收增益：10 dB；

(11) P-1dB,in：10 dBm；

(12)收發(fā)隔離：＞80 dB；

(13)接收中頻：140±1 MHz；

3　發(fā)射通道設計

發(fā)射通道設計框圖如圖2所示。外部輸入的800～1000 MHz發(fā)射波形信號和16 GHz的本振信號混頻后經(jīng)濾波和放大得到16.8～17.2 GHz發(fā)射信號，發(fā)射功率為13 dBm。發(fā)射信號經(jīng)耦合器和功分器后得到兩路信號，一路接檢波管得到檢波輸出信號，一路經(jīng)開關(guān)控制得到耦合輸出信號和測試信號，其中測試信號由耦合器接到接收通道，用來形成發(fā)射通道與接收通道的自閉環(huán)，完成系統(tǒng)自檢測試功能。

圖2　發(fā)射通道設計框圖

該組件選取的發(fā)射通道末級放大器是Hittite公司的HMC441LC3B，該芯片在17 GHz頻段處增益為14 dB，1 dB壓縮點能達到20 dBm。在輸入-5 dBm的條件下，增益是18 dB，發(fā)射功率可以達到13 dBm，整個系統(tǒng)的仿真圖見圖3。

圖3　發(fā)射鏈路圖

4　接收通道設計

接收通道設計框圖如圖4所示。800～1000 MHz本振波形信號和16.14 GHz的本振信號混頻得到16.94～17.34 GHz的信號，該信號經(jīng)濾波、放大后和16.8～17.2 GHz的接收輸入信號進行混頻，放大和濾波得到140 MHz的中頻輸出信號。

圖4　接收通道設計框圖

根據(jù)噪聲系數(shù)公式（1）可知系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要由接收前端決定。

式（1）中，NFn為第n級放大器的噪聲系數(shù)；Gn為第n級放大器的增益。該模塊接收通道 P-1dB,in為10 dBm，不是整機系統(tǒng)的接收前端，因此對接收通道的噪聲系數(shù)要求不高，要求小于15 dB。該組件選取的中頻放大器是Hittite公司的HMC580ST89，該芯片在140 MHz頻段處增益為22 dB，1 dB壓縮點能達到22 dB。由圖5仿真圖可以看到，該模塊接收噪聲系數(shù)的理論指標為13.70 dB，增益為10.26 dB，滿足指標要求。

圖5　接收鏈路系統(tǒng)仿真

5　通道隔離度

由于該組件的工作頻率較大，為了防止組件工作時信號在收發(fā)鏈路間串擾，就需要對組件的收發(fā)隔離度提出較高的要求。要提高收發(fā)隔離度，首先就要選擇高隔離度的微波開關(guān)，該組件選取的微波開關(guān)是Hittite公司的HMC547LP3，該開關(guān)在工作帶寬內(nèi)的插損小于1.8 dB，其隔離度為45 dB。收發(fā)通道之間相隔著2個耦合器（耦合度-30 dB），因此，線上的收發(fā)隔離為105 dB，滿足收發(fā)隔離指標（80 dB）。為了提高模塊收發(fā)之間在空間上的隔離度，在腔體內(nèi)部布局時，把接收通道和發(fā)射通道分布在殼體的正反兩面并且各通道內(nèi)部采用模塊化設計，可以有效防止電磁信號在通道之間相互串擾，否則很容易引起自激。

6　組件供電部分

由于系統(tǒng)器件種類眾多，需要的電源種類也多，所以組件的供電也是一個很復雜的問題。如果處理不當?shù)脑?，干擾信號很可能通過電源線饋入信號鏈路造成干擾。在結(jié)構(gòu)設計室將組件盒體分為上下兩層，背對背設置。上層隔出一個獨立墻體專門來走電源線，通過電源線路的合理布局，將各器件需要的電源通過穿芯電容穿墻直達器件的電源端，從而在最大程度上降低電源串擾、耦合的問題。組件供電電源為+12 V，各通道部分所需的電源電壓要求分別如下：

（1）接收部分需要的工作電壓：5 V/185 mA。

（2）發(fā)射部分需要的工作電壓：-5 V/10 mA，5 V/250 mA，3 V/43 mA。

（3）本振部分：5 V/520 mA。

采用穩(wěn)壓電路對進行電壓分配，其中的電源為5 V/0.955 A，3 V/0.043 A，-5 V/10 mA，從以上電源分配可以得知其輸出電流大，為了提高效率我們采用LMZ14202H電源模塊電路進行分壓控制，其效率高達97%，減少了系統(tǒng)散熱，電源框圖如圖6所示。

圖6　電源轉(zhuǎn)換框圖

7　研制結(jié)果

Ku波段收發(fā)組件外形如圖7所示，接口名稱從左到右、從上到下依次為本振波形、中頻輸出、耦合輸出、接收輸入、參考時鐘、電源與控制、發(fā)射輸出和發(fā)射波形。

圖7　Ku波段收發(fā)組件外形圖

通過衰減網(wǎng)絡調(diào)節(jié)、吸收體粘貼以及微帶走線上的匹配調(diào)節(jié)，得到初步調(diào)試結(jié)果如圖8和圖9所示。信號源設置頻率1 GHz、功率-5 dBm接到發(fā)射波形端口，頻譜分析儀在發(fā)射端口測得在17 GHz的功率為9.6 dBm，測試線纜在17 GHz時線損為3.5 dB，因此該組件發(fā)射通道的輸出功率為13.1 dBm，滿足指標要求。噪聲分析儀測得140 MHz頻率處的噪聲系數(shù)為20.3 dB，滿足指標要求。信號源設置頻率17 GHz，功率10 dBm接到接受輸入端口，頻譜分析儀在中頻輸出端口測得在140 MHz的功率為20.1 dBm，140 MHz時忽略線損，因此接收增益為10 dB，滿足指標要求。

圖8　發(fā)射通道輸出功率

圖9　接收通道功率

8　結(jié)論

收發(fā)組件在導彈制導系統(tǒng)、雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)中發(fā)揮著不可或缺的作用。為了提高設計靈活性，縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本，后期將采用模塊化技術(shù)進行組件設計，各模塊可單獨使用，通過更換或增加部分模塊就能擴展或更改功能。本文設計的Ku波段收發(fā)組件滿足設計指標，得到了用戶的肯定，同時為后續(xù)模塊化設計奠定了理論和實踐基礎。

參考文獻：

[1] 甄可龍，唐云菲，呂善偉. 基于ADS的毫米波收發(fā)組件設計及仿真[J]. 計算機與網(wǎng)絡，2014，(14).

[2] 胡明春，周志鵬，嚴偉. 相控陣雷達收發(fā)組件技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[3] 薛良金. 毫米波工程基礎[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004.

[4] 鄭林華，王華元. S波段小型化收發(fā)組件模塊[J]. 中國科技信息，2012，(13).

姚若妍（1989—），女，浙江湖州人，碩士，畢業(yè)于電子科技大學，現(xiàn)從事射頻微波收發(fā)組件設計工作。

The Design of Ku-band T/R Module

YAO Ruoyan, WEI Bin
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China）

Abstract:The Ku-band T/R module contains an up-converter transmitting channel and a down-converter receiving channel. The transmitting channel is consisted by local oscillator, up converter, filter, PA, isolator, switch and so on. Its transmitting channel has coupled output and can be connected to the input of receiving channel, which realizes the system self-check test function. The front end of the down-converter receiving channel consists of LNA, coupler, mixer, filter and PA.

Keywords:transmitter module; receiver module; Ku-band

作者簡介：

收稿日期：2015-11-24

中圖分類號：TN402

文獻標識碼:A

文章編號：1681-1070（2016）02-0033-04