一種高性能多路射頻交換矩陣的設(shè)計與實現(xiàn)

溫明艷

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

通信[1]偵察是搜集輻射源參數(shù)、獲取通信目標(biāo)情報、實施電子支援、實時戰(zhàn)場透明化、取得信息優(yōu)勢及進(jìn)行作戰(zhàn)效能評估的重要手段[2]。為提高信號偵察能力，在天線系統(tǒng)和接收機(jī)系統(tǒng)之間設(shè)計射頻交換矩陣設(shè)備，可以使多部接收機(jī)同時接收、分析同一天線波束信號；也可以一部接收機(jī)接收、分析來自不同方向的天線波束信號。

與以往設(shè)計相比，更適用接收路數(shù)多的大規(guī)模接收系統(tǒng)，在隔離、噪聲及動態(tài)等重要指標(biāo)上，經(jīng)過多方理論考證、器材調(diào)研和仿真軟件驗證，最終設(shè)計出一套多路高性能射頻全交換矩陣。

1 設(shè)計思路、框架和具體組成

以往的項目中，路數(shù)少，線路設(shè)計復(fù)雜，模塊分離，纜線相互交織，錯綜復(fù)雜，不僅給電器指標(biāo)、電磁兼容設(shè)計帶來難度，售后維護(hù)也令人困擾。隨著通信系統(tǒng)復(fù)雜度的不斷增加[3]，在不斷完善設(shè)計中，優(yōu)化多通道射頻組件是提高性能的一種手段[4]。設(shè)備采用放大[5]單元、交換單元與電源機(jī)箱獨立設(shè)計方式，使得分機(jī)更利于散熱，拆卸、調(diào)試和維修更加方便。并且放大與交換機(jī)箱內(nèi)部部件全部采用金屬盒進(jìn)行屏蔽，這樣在同一個頻段同時多任務(wù)狀態(tài)中具有更好的電磁兼容性和抗干擾能力[6]。

射頻交換矩陣是m×n路，基本設(shè)計思想是實現(xiàn)m路信號輸入和n路信號輸出的共m×n路數(shù)全交換。設(shè)備主要由放大單元和交換單元組成。

射頻交換矩陣架構(gòu)如圖1所示。

圖1 射頻交換矩陣架構(gòu)

射頻全交換矩陣具體組成如圖2所示。

圖2 射頻交換矩陣組成

由圖2可以看出，放大單元由m個放大器組成，對輸入信號進(jìn)行低失真放大，彌補分路和路徑導(dǎo)致的信號衰減；交換單元由分路和開關(guān)組成，連接二者的是信號交換網(wǎng)絡(luò)。分路單元將每一路輸入信號分成m路；開關(guān)單元通過切換PIN開關(guān)實現(xiàn)m選1功能，共n個；m路輸入信號首先分別通過放大單元進(jìn)行放大，然后分路單元將每一路信號再分為n路，得到m×n路短波信號。開關(guān)單元的m路輸入分別連接不同的分路單元。系統(tǒng)監(jiān)控管理臺位通過內(nèi)部接口協(xié)議實現(xiàn)通路的通斷[7]，系統(tǒng)根據(jù)控制指令選擇其中一路信號輸出。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主要性能設(shè)計思路

設(shè)計主要涉及隔離度[8]、噪聲系數(shù)及動態(tài)值等，所有設(shè)計都參考圖1。

2.1.1 隔離度

本系統(tǒng)隔離度設(shè)計基于同頻干擾和鄰道干擾[9]考慮，分為3種：輸出—輸出的隔離包括同輸入和2個輸入；輸出—輸入的隔離；開關(guān)隔離度。

高性能多路射頻交換矩陣的隔離度需要有論證依據(jù)。射頻放大器單元提供的反向隔離度，其數(shù)值通常與放大器的增益相當(dāng)；射頻分路單元各支路之間的路間隔離度，采用傳輸線變壓器結(jié)構(gòu)的短波分路器的隔離度指標(biāo)比較理想，通常路間隔離度大于30 dB；射頻開關(guān)單元的關(guān)斷隔離度，由二極管所構(gòu)成的射頻開關(guān)可以通過改變其直流工作狀態(tài)來控制射頻信號的通斷。射頻開關(guān)都由多級二極管構(gòu)成，通常情況下所使用的二極管越多隔離度也越高；電路中對信號有損耗的電路，其損耗值是所能提供的隔離度的值。雖然提供的隔離度有限，但是在某些場合卻是提高隔離度的唯一手段；另外，在隔離度要求較高時還要充分考慮電路串?dāng)_、空間輻射等對隔離度的影響。

2.1.2 噪聲系數(shù)

依據(jù)噪聲系數(shù)的級聯(lián)公式[10]對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。噪聲系數(shù)的計算公式如下：

(1)

式中，NF為多級放大器總的噪聲系數(shù)；F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3分別表示第一、第二、第三級的噪聲系數(shù)；G1，G2分別表示第一和第二級放大器的功率增益。

由式(1)可知，系統(tǒng)前級的噪聲和增益對噪聲指標(biāo)的影響最大。因此，盡量降低系統(tǒng)前級的噪聲系數(shù)和提高前級增益是提高分機(jī)噪聲指標(biāo)最有效的方法。

電路設(shè)計和指標(biāo)計算考慮到射頻交換矩陣的射頻通路主要由放大單元和交換單元組成。將放大單元放在射頻交換矩陣的第一級，并且采用低噪聲的晶體管進(jìn)行設(shè)計，降低線路耦合干擾能量[11]。

2.1.3 增益

把2個單元的放大倍數(shù)(即增益)相加即為系統(tǒng)增益。嚴(yán)格來說，放大單元是增益，交換單元是損耗，經(jīng)過合理分配，使輸出信號幅度滿足接收機(jī)要求：

G=G1+G2。

(2)

2.1.4 動態(tài)

二階、三階互調(diào)指標(biāo)的級聯(lián)公式，是進(jìn)行動態(tài)設(shè)計的依據(jù)[12]。

(3)

(4)

由作為第1級的輸入開始，計算和下一級級聯(lián)的截點值。這2級求得的級聯(lián)值作為第1級，下一級(第3級)再作為第2級，這樣一直可推算即可得到總級聯(lián)值。

為保證系統(tǒng)噪聲系數(shù)指標(biāo)滿足要求，必須將放大單元安排在射頻交換矩陣的最前級。所以設(shè)計中解決動態(tài)指標(biāo)的唯一方法是提高所有器件的動態(tài)范圍，包括放大器和開關(guān)等。

設(shè)計中對系統(tǒng)的放大器和開關(guān)進(jìn)行了重點設(shè)計。采取如下措施提高分機(jī)的動態(tài)性能：

放大器的互調(diào)指標(biāo)要求較高，設(shè)計放大器時使用高線性度、低噪聲的大功率MOS晶體管[13]，晶體管工作在A類線性狀態(tài)，提高線性度。電路采用平衡放大結(jié)構(gòu)，對放大器采用匹配電路將放大器匹配到最佳線性狀態(tài)，提高放大器的線性度指標(biāo)。

放大單元設(shè)計如圖3所示。

圖3 放大單元設(shè)計

3 仿真驗證結(jié)果及設(shè)備部分模型

為了更加科學(xué)地考量系統(tǒng)設(shè)計的合理性，根據(jù)圖4多路交換矩陣模型框架，多次調(diào)整輸入2個單元各自相應(yīng)數(shù)據(jù)分配，可以得到系統(tǒng)的結(jié)果。

圖4 多路交換矩陣模型框架

仿真關(guān)鍵性能指標(biāo)如圖5所示，可看到如下計算數(shù)據(jù)：噪聲系數(shù)<5 dB，IIP3>37 dBm，增益>0 dB。

圖5 仿真關(guān)鍵性能指標(biāo)

后續(xù)批量生產(chǎn)中，經(jīng)過對每套系統(tǒng)設(shè)備的測試，全頻段指標(biāo)一致性[14]都能接近仿真數(shù)據(jù)。

新型綜合偵查系統(tǒng)應(yīng)建立射頻級、數(shù)據(jù)級和信息級標(biāo)準(zhǔn)框架。實現(xiàn)即插即用，并能夠靈活拆分組合[15]。這個設(shè)計思想在射頻交換矩陣中充分體現(xiàn)。

放大單元模型如6所示。交換單元模型如圖7所示。

圖6 放大單元模型

圖7 交換單元模型

好的布局可以加快功放模塊的散熱[16]。放大單元機(jī)箱采用多個模塊平行放置，利于放大器散熱和模塊拆裝。

交換單元采用正交連接的交換方式，結(jié)構(gòu)更加緊湊。射頻接頭會引入插損，一致性也變差[17]，因此交換單元采用直插式盲插設(shè)計降低了射頻信號損耗以及對安裝環(huán)境的要求[18]，拆卸更加方便，易于調(diào)試和維修，并且各射頻模塊全部采用金屬盒進(jìn)行屏蔽，具有更好的電磁兼容性和抗干擾能力。

4 結(jié)束語

介紹了高性能多路射頻全交換矩陣的技術(shù)與實現(xiàn)。通過射頻交換矩陣實現(xiàn)多路輸入與多路輸出全交換，實現(xiàn)多用戶共同使用的目的。通過對該設(shè)備的信號傳輸框架進(jìn)行原理性分析，改進(jìn)了以往路數(shù)少、指標(biāo)相互制約及維修費時費工的困擾。經(jīng)過多方面理論考證、器材調(diào)研、軟件驗證及試驗，最后形成一套適合接收[19]偵測的前端設(shè)備。該套設(shè)備不僅提高了性能，還減輕了用戶基層維修保障任務(wù)[20]。該套設(shè)備具有故障報警功能，可以通過本控、遙控選通信號進(jìn)行偵測或者維修工作。該設(shè)備自研制成功后，多次批量投產(chǎn)多個用戶。根據(jù)目前已在多個項目中實用的結(jié)果，期待設(shè)備在市場中發(fā)揮較高的技術(shù)參考價值。