X波段收發(fā)組件的設(shè)計(jì)

余奧 劉維佳

摘 要 本文介紹了X波段收發(fā)組件系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)要分析了X波段收發(fā)組件分量的各項(xiàng)指標(biāo)。并設(shè)計(jì)了X波段收發(fā)組件的系統(tǒng)框圖。結(jié)合系統(tǒng)框圖分配指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率33dBm～35dBm，接收通道增益不小于50dB的高性能X波段收發(fā)組件。

關(guān)鍵詞 X波段;收發(fā)組件;發(fā)射功率;接收通道增益

X band transmit/receive component design

Yu Ao Liu Weijia

the 55th institute of China electronic science and technology corporation， Nanjing， Jiangsu 210016

Abstract This paper introduces the design method of X band transmit/receive component， and briefly analyzes the indicators of X band transmit/receive component. Based on this， the system block diagram of X band transmit/receive component is designed. Combined with transmit/receive system block diagram and assigned indicators， designed a high performance X band transmit/receive component which achieved RF power 33dBm～35dBm and ，receive channel gain not less than 50dB.

Keyword X band; Transmit/receive component; RF power; Receive channel gain

引言

微波收發(fā)組件作為微波通信的前端，在整個(gè)通信設(shè)備中有著重要的地位。現(xiàn)在，單芯片收發(fā)器已經(jīng)在S和C波段開發(fā)，并且非常流行，這就導(dǎo)致了低頻頻段的擁擠。在X波段，要想整個(gè)收發(fā)器系統(tǒng)集成在單個(gè)芯片上，這個(gè)做法是很難的，現(xiàn)在普遍存在以微波混合集成電路（HMIC）的形式將具有不同功能的芯片搭載到一個(gè)芯片收發(fā)器。在小型化和輕量化方面，我們利用MCM（多層多芯片技術(shù)）和LTCC（低溫共燒陶瓷技術(shù)），簡(jiǎn)化了MMIC芯片之間的連接，減少了各種干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性[1]。收發(fā)組件包括接收分支和發(fā)送分支。本文提供了X波段收發(fā)組件的設(shè)計(jì)思路，分解、模擬了關(guān)鍵部件。

1X波段收發(fā)組件的系統(tǒng)方案

本文的收發(fā)組件系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1? 組件系統(tǒng)框圖

在該設(shè)計(jì)中，射頻源產(chǎn)生X波段射頻信號(hào)（f0），通過發(fā)射調(diào)制器形成射頻脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大后平均功分兩路輸出;對(duì)接收信號(hào)經(jīng)功率合成后放大，通過接收調(diào)制器進(jìn)行相關(guān)接收，再與射頻源耦合產(chǎn)生的本振信號(hào)混頻后輸出零中頻脈沖信號(hào)，給后級(jí)電路進(jìn)行處理。

2詳細(xì)技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 頻率源部分設(shè)計(jì)

鎖相環(huán)電路是自動(dòng)控制電路，其經(jīng)過相位檢測(cè)器比較參考信號(hào)和輸出信號(hào)的相位，以使輸出信號(hào)與參考信號(hào)同步。鎖相環(huán)電路由相位檢測(cè)器（PD），環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）組成。以100MHz晶振提供給鎖相源穩(wěn)定參考信號(hào)，通過鎖相方式輸出X波段點(diǎn)頻信號(hào)。

2.2 發(fā)射部分設(shè)計(jì)

發(fā)射部分將頻率源通過耦合器直通端輸出的射頻信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大器、開關(guān)調(diào)制器、功放、隔離器、功分器等幅輸出兩路發(fā)射信號(hào)。如圖1所示，通過A調(diào)制信號(hào)控制單刀單擲開關(guān)（SW1）實(shí)現(xiàn)發(fā)射調(diào)制器（調(diào)制器1）功能，通過B調(diào)制信號(hào)控制功放（PA）脈沖工作[2]。

2.3 發(fā)射主要指標(biāo)分析

（1）射頻輸出功率：33dBm～35dBm（單口），雙路不平衡度≤0.5dB;

輸出選擇先放大再功分的方案，該方案成本相對(duì)較低，且輸出只有無(wú)源功分器，雙路不平衡度指標(biāo)相對(duì)會(huì)好一點(diǎn)。為了改善功放輸出駐波，核算功放功率余量后，在功放輸出端增加隔離器。通過上述分析，發(fā)射輸出功率33.5dBm。

兩路不平衡度理論上是0dB，實(shí)際可能由于裝配帶來(lái)的端口駐波差異引入損耗不一致，根據(jù)此頻段仿真及實(shí)際測(cè)試結(jié)果，預(yù)計(jì)不平衡度不大于0.3dB。

（2）發(fā)射開關(guān)（調(diào)制器1）上升/下降沿：≤20ns;發(fā)射開關(guān)（調(diào)制器1）通斷比：≥60dB

組件中是通過控制信號(hào)A調(diào)制開關(guān)實(shí)現(xiàn)該功能，對(duì)于引信收發(fā)前端組件，通過快速切換開關(guān)產(chǎn)生高速調(diào)制的射頻脈沖信號(hào)，指標(biāo)主要由兩個(gè)因素決定：一是驅(qū)動(dòng)控制開關(guān)的驅(qū)動(dòng)器的切換速度、一是開關(guān)的切換速度。

（3）發(fā)射端、接收端可承受的最大輸入功率：≥30dBm（發(fā)射端）;

發(fā)射輸出端選用隔離器可以保證從反向輸入的大功率信號(hào)不會(huì)損壞功放，功分器隔離電阻選用大功率電阻，保證當(dāng)兩端輸入功率不平衡時(shí)，大功率條件下不會(huì)損壞隔離電阻。

2.4 接收部分設(shè)計(jì)

通過威爾金森功分器將兩路接收到的信號(hào)合成一路輸入，限幅器用于保護(hù)接收通道在大功率信號(hào)輸入條件不損壞，通過D調(diào)制信號(hào)控制單刀單擲開關(guān)（SW2）實(shí)現(xiàn)接收調(diào)制器（調(diào)制器2）功能，射頻鏈路放大、濾波后，與頻率源耦合放大濾波的本振信號(hào)經(jīng)雙平衡混頻器混頻輸出零中頻脈沖信號(hào)，中頻鏈路對(duì)中頻信號(hào)增益放大濾波輸出。

2.5 接收主要指標(biāo)分析

（1）接收通道增益：≥50dB;輸出中頻脈沖幅度：峰值最高不超過（-1V、+1V）;

接收增益可大于50dB，且中頻輸出峰峰值不超過（-1V、+1V）（換算到輸出功率@50ohm為4dBm），射頻采用2級(jí)放大器，中頻采用1級(jí)放大器，鏈路中濾波器主要用于濾除本振及射頻泄露信號(hào)、帶外諧雜波信號(hào)，可選用衰減器用于補(bǔ)償增益和調(diào)整輸出峰峰值。經(jīng)測(cè)算鏈路增益51.5dB，輸出功率3.5dBm（-0.94V，+0.94V）。

（2）中頻放大器帶寬：60MHz，帶內(nèi)波動(dòng)≤1dB;矩形系數(shù)（）≤1.4;

中頻放大器選用寬帶放大器，滿足帶寬要求，矩形系數(shù)主要通過多級(jí)低通濾波器保證。

（3）射頻輸入端隔離度：≥20dB;

接收輸入端隔離度由威爾金森功分器兩支路端口隔離度保證，工作頻帶相對(duì)較窄，通過設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)25dB隔離度。

（4）噪聲系數(shù)：≤12dB;

理論測(cè)算接收噪聲系數(shù)可達(dá)到10dB。

（5）發(fā)射端、接收端可承受的最大輸入功率：≥30dBm（接收端）;

接收輸入端功分器、隔離器設(shè)計(jì)可滿足30dBm輸入功率，限幅器可承受6W輸入功率，限幅電平15dBm，保證后端器件不損壞。

（6）接收開關(guān)（調(diào)制器2）上升/下降沿：≤20ns;接收開關(guān)通斷比：≥60dB;

分析同發(fā)射調(diào)制開關(guān)[3]。

3結(jié)束語(yǔ)

本文在研究X波段收發(fā)組件現(xiàn)有技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于微帶混合集成電路的X波段通信系統(tǒng)收發(fā)組件。通過仿真和實(shí)際測(cè)算，研制出射頻輸出功率33～35dBm，接收通道增益≥50dB的高性能收發(fā)組件。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡明春，周志鵬，嚴(yán)偉.相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)組件技術(shù) [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010：215.

[2] Vendelin G D，Pavio A M，Rohde U L . Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear Techniques （Vendelin/Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear Techniques） || Lumped and Distributed Elements[M]. John Wiley & Sons，Inc，2005：255.

[3] E.Wilkinson.Ann-Way Hybrid Power Divider [J].IRE Trans.on Microwave Theory and Techniques，1960（8）：116-118.