W波段收發前端設計研究

郭麗芳，張 松，尤小泉，王 飛，劉 淦，陽 浩

(1.成都工業學院 網絡與通信工程學院，四川 成都 611730；2.成都工業學院 電子工程學院，四川 成都 611730)

W波段收發前端設計研究

郭麗芳1，張 松1，尤小泉1，王 飛2，劉 淦1，陽 浩1

(1.成都工業學院 網絡與通信工程學院，四川 成都 611730；2.成都工業學院 電子工程學院，四川 成都 611730)

以21.12 GHz為本振信號、93.12～94.136 GHz為射頻信號，采用“倍頻+超外差發射機”和“超外差接收機”設計了毫米波無線通信系統收發前端模塊組件，其中上變頻模塊尺寸為20 mm×19 mm×82 mm，實現了小型化，用完成的收發前端組件與已有的頻率源組成完整的相參性測試系統，并對頻率源的相參性進行了驗證.

W波段；收發前端；相參性

0 引 言

毫米波變頻組件是毫米波無線通信系統的關鍵組成部分，在便攜式應急通信設備中、點對點通信、電子對抗、精確制導武器、相控陣雷達和毫米波成像等各種系統中都有廣泛的應用[1-2].在4個“大氣窗口”中應用最為廣泛的是Ka波段和W波段.由于Ka波段頻率相對較低，對Ka波段的研究目前已比較成熟，而受到器件供應和工藝水平的局限，W波段研究和應用相對比較緩慢[3-4].W波段的毫米波僅在小型化、相位噪聲、低溫共燒陶瓷(LTCC)技術等方面有一些應用[5-7].基于此，本研究以21.12 GHz本振信號、93.12～94.136 GHz射頻信號為例，采用超外差發射機和超外差接收機實現了毫米波收發前端組件，同時，利用現有的頻率源和研制的變頻組件搭建了完整的相參性測試系統，并對現有頻率源的相參性進行了驗證.

1 毫米波無線通信系統收發前端設計

毫米波無線通信系統收發前端分為發射機前端和接收機前端.由于信號需要經過長距離傳輸，如果頻率較低，則容易在傳輸過程中衰減，導致接收端接收不到有用信號，所以發射機前端需要將基波頻率上變頻至較高頻率后再經過發射天線發射.經過長距離傳輸之后的信號，頻率較高，功率損耗較大，如果直接傳遞給用戶，可能因為功率過小而導致接收到的信號較差，或者因頻率過高導致用戶無法使用，故需要將接收端接收到的信號經過下變頻與放大之后傳送給接收機，然后進行后續的信號處理.

1.1 上變頻模塊設計

本研究以本振信號21.12 GHz、中頻信號8.64～9.656 GHz、射頻輸出93.12～94.136 GHz為例，設計了一種發射機前端的上變頻模塊，該上變頻模塊設計方案如圖1所示.

圖1上變頻模塊設計方案

在該發射機前端的方案制定中，本研究重點考慮了以下幾個因素.

1)頻率.本研究要求本振輸入信號頻率為21.12 GHz，射頻輸出頻率為93.12～94.136 GHz，因本振信號直接倍頻不能得到射頻輸出的頻率要求，所以先對本振信號進行倍頻，再與一個掃頻源8.64～9.656 GHz上變頻，從而達到射頻輸出頻率要求.

2)增益.由于混頻器和倍頻器在通常情況下都需要較大的輸入功率來驅動，所以本方案計劃在混頻器和倍頻器之間分別加一級放大器.此外，由于混頻器和倍頻器都有變頻損耗，還有濾波器等無源器件的插入損耗，并且射頻輸出功率一般要求較高，故本方案考慮在射頻輸出端加1個或者2個W波段的放大器.

3)雜散和諧波抑制.為了避免本振和射頻的相互干擾，本振到射頻的隔離度一般要求較大，所以本研究選取本振驅動功率較小并且各個端口隔離度較大的混頻器.變頻之后，為了獲得相對純凈的射頻頻譜，在射頻輸出端增加W波段的濾波器.對于射頻輸出端所接濾波器要求，通帶包含92.12～93.136 GHz，并對4倍頻后的84.48 GHz信號、鏡像頻率4LO-IF、4LO-2IF、4LO+2IF等有用信號附近的干擾信號進行抑制.同時，為了阻止雜散和諧波信號也被放大，特將濾波器放在放大器前面.

在方案實施過程中，為了實現小型化，整個上變頻組件分成3個模塊，并將倍頻器和混頻器設計在一個腔體中，混頻之后采用單獨腔體濾波器，之后的放大器單獨放置在一個腔體.設計實物圖如圖2所示.

圖2上變頻模塊組件實物圖

為了獲取W波段信號的準確輸出功率，本研究將中頻信號8.64～9.656 GHz分為128個點進行測試，結果如圖3所示.圖3中，橫坐標表示128個頻點，0點對應射頻信號的93.12 GHz，127點代表94.136 GHz，縱坐標表示輸出功率大小.

從圖3可知，經過上變頻后的射頻輸出功率在9.9～10.4 dBm之間，波動不超過0.5 dB，比較平坦.

1.2 下變頻模塊設計

經過上變頻后的射頻信號92.12～93.136 GHz通過長距離傳輸之后到達接收端，功率衰減較大，需要進行下變頻至較低頻率，才可以傳送給用戶.本設計要求下變頻結果為60 MHz，所以需要在接收機前端將信號頻率降低并放大，下變頻模塊設計方案如圖4所示.

圖3上變頻模塊射頻輸出功率測試結果

圖4下變頻模塊設計方案

在下變頻模塊設計中，需要重點考慮的參數有噪聲系數、靈敏度、增益、動態范圍等.

1)接收機的噪聲系數，是指接收機內部噪聲的大小，定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值，

(1)

式中，Si為輸入信號功率，Ni為輸入噪聲功率，So為輸出信號功率，No為輸出噪聲功率.對于系統的級聯噪聲系數，可表示為，

(2)

式中，NFi為系統第i(i=1,2,3,…)級的噪聲系數，Gi為第i(i=1,2,3,…)級的增益.由式(2)可得，由于增益一般都比較大，系統級聯的噪聲系數在很大程度上由第一級噪聲系數NF1決定，所以為了降低整個接收機系統的噪聲系數，第一級必須選用噪聲系數很小的低噪聲放大器.

2)接收機的靈敏度，是指接收機能接收到的仍能正常工作的最低信號功率，即靈敏度越高，接收機能接收到更多的較弱信號，如果靈敏度較低，只有較強的信號才可以接收到.靈敏度可以由式(3)表示，

Pin,min(dBm)=-174(dBm/Hz)+10logB+

(SNR)o,min(dB)+NF(dB)

(3)

式中，-174(dBm/Hz)是常溫下基底噪聲譜密度，B為所接收的頻帶寬度，(SNR)o,min為指定的輸出信噪比，NF為系統的級聯噪聲系數.

由式(3)得知，在接收頻帶寬度不變、輸出信噪比指定的情況下，接收機的靈敏度與系統的噪聲系數有關，噪聲系數越小，系統的靈敏度越高.可見，靈敏度和噪聲系數是相對矛盾的，二者不可兼得，需要在二者之間選擇平衡點.

3)增益表示接收機對信號的放大能力.接收機的增益不是越大越好，增益過大可能引發自激，所以增益要根據實際情況進行調整，最終實現滿足系統要求的指標.

4)動態范圍表示在接收機正常工作時所能允許的最大輸入信號與最小輸入信號之間的波動范圍.允許輸入的最小信號強度值能夠檢測到最小信號，而允許輸入的最大信號強度與正常工作的1 dB壓縮點有關，所以，在選擇器件時要選擇1 dB壓縮點較大的器件，以便能有效增加系統的動態范圍.

綜合上面的因素，在數字中頻接收機、零中頻接收機和超外差接收機中，選用了超外差接收機.

在設計實現過程中，本研究將下變頻組件分為毫米波下變頻和微波下變頻2部分.為了節約成本，因毫米波下變頻是上變頻的逆過程，故采用與上變頻同樣的設計.下變頻模塊的實物和測試結果如圖5所示.

2 毫米波收發前端系統測試

在完成上述變頻模塊的研究和測試后，本研究利用實驗室現有的21.12 GHz信號源、1.74 GHz信號源、6.84～7.856 GHz跳頻源信號和已研制的變頻模塊，設計了完整的相參性測試系統，并對現有頻率源的相參性進行了驗證.相參性測試系統的結構框圖如圖6所示.測試結果如圖7所示.

從圖7可看出，相位差與頻點之間成周期線性關系，此結果證明了3個頻率源的相參.

圖5微波下變頻模塊

圖6相參性測試系統框圖

圖7 相參性測試結果

3 結 語

本研究基于毫米波的基本理論對毫米波變頻模塊進行了分析，并以W波段變頻組件為例，設計了毫米波發射機和接收機前端的關鍵模塊，最后搭建了相參性測試系統，并對頻率源的相參性進行了驗證.

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[5]鄒涌泉,甘體國.W頻段機載防撞雷達收發分機[J].電訊技術,2004,44(1):48-51.

[6]曹舟，唐小宏，劉勇.W波段接收機前端中頻相位噪聲抵消技術研究[C]//2009年全國微波毫米波會議論文集.西安，中國：中國電子學會，2009：1098-1100.

[7]王璞.三毫米前端小型化技術研究[D].成都：電子科技大學，2013.

ResearchonDesignofTransceiverFront-endofW-band

GUOLifang1,ZHANGSong1,YOUXiaoquan1,WANGFei2，LIUGan1，YANGHao1

(1.School of Networking and Communicating Engineering, Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China; 2.School of Electronic Engineering, Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China)

This paper adopts “multiplier+superheterodyne transmitter" and “superheterodyne receiver" to design a millimeter wave wireless communication system front-end module component by using 21.12 GHz as local oscillator and 93.12～94.136 GHz as radio-frequency signal.The size of the up-conversion module is 20 mm×19 mm×82 mm,through which miniaturization is realized.We form a complete test system to test the coherence by combining the current frequency source with the transceiver front-end modules,and verify the coherence of the frequency source.

W-band;transceiver front-end;coherence

TN839

A

1004-5422(2017)04-0394-04

2017-10-09.

四川省教育廳科研計劃(15CZ0028)資助項目．

郭麗芳(1989 — )，女，碩士，從事毫米波系統與電路研究.