一種用于高度表測量系統(tǒng)的射頻前端收發(fā)組件

蔡　茂，潘　碑，郁　健，馬建軍，溫艷兵

（南京電子器件研究所，南京 210016）

一種用于高度表測量系統(tǒng)的射頻前端收發(fā)組件

蔡茂，潘碑，郁健，馬建軍，溫艷兵

（南京電子器件研究所，南京 210016）

簡要介紹了高度表測量系統(tǒng)用射頻前端收發(fā)組件的設(shè)計方案。詳細闡述了主要功能單元電路和重要技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計考慮。該射頻前端達到的指標(biāo)為：輸出發(fā)射功率大于16 W，輸出功率全溫穩(wěn)定性小于0.1 dB/10℃，收發(fā)隔離大于112 dBc，端口泄漏小于34 dBμV等。

高度表測量系統(tǒng)；射頻前端收發(fā)組件；發(fā)射功率；輸出功率全溫穩(wěn)定性；收發(fā)隔離；端口泄露

1　前言

近年來，國內(nèi)微波毫米波技術(shù)領(lǐng)域取得長足進步，為各型整機設(shè)備研發(fā)的微波組件迅速發(fā)展[1]。高度表測量系統(tǒng)是各型飛行設(shè)備的核心部件，可以實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)實時采集反饋，以迅速調(diào)整飛行姿態(tài)，是空地系統(tǒng)信息傳輸?shù)闹匾较?，?yīng)用前景非常廣泛。高度表測量系統(tǒng)主要包括天線系統(tǒng)、射頻前端收發(fā)組件、大動態(tài)中頻AGC接收機和信號處理機等主要功能部件[2]。本文就其中的射頻前端收發(fā)組件整體設(shè)計方案進行簡要描述，針對射頻前端收發(fā)組件設(shè)計必須解決的頻率源抗干擾跳頻技術(shù)、信號全溫穩(wěn)定性技術(shù)以及收發(fā)信道高隔離技術(shù)等關(guān)鍵問題進行詳細分析，并對組件中的其他常規(guī)功能電路設(shè)計進行闡述。

2　方案和電路設(shè)計

射頻前端收發(fā)組件工作在C波段，是跳頻和脈沖工作方式，對發(fā)射功率穩(wěn)定性、收發(fā)隔離和端口泄漏等技術(shù)指標(biāo)均有較高要求。

射頻前端中的多點跳頻源同時產(chǎn)生兩個同一參考源的微波信號分別作為發(fā)射泵源和接收本振，發(fā)射泵源與外加的高中頻調(diào)制信號混頻產(chǎn)生所需的發(fā)射信號和無用的邊帶、雜散信號，這些信號通過濾波器、功率放大器、衰減器、控制開關(guān)等電路，最終產(chǎn)生滿足整機要求的脈沖發(fā)射信號；接收通道將接收到的脈沖信號放大混頻產(chǎn)生所需的中頻回波信號提供給整機使用；自檢支路在收到指令后進行組件的自檢工作。

射頻前端收發(fā)組件整體功能框圖如圖1所示。

圖1　射頻前端收發(fā)組件功能原理框圖

以下就射頻前端收發(fā)組件設(shè)計需要解決的關(guān)鍵技術(shù)及功能電路設(shè)計做詳細闡述。

2.1頻率源抗干擾跳頻技術(shù)

跳頻控制單元的核心是邏輯控制器件，目前鎖相源設(shè)計中采用的控制器件主要有單片機、CPLD和FPGA等。三者均能完成本設(shè)計中的控制功能要求，但卻各有優(yōu)劣。

單片機采用的是指令運行的方式，每一指令周期運行一條指令。而對于一般單片機（以PIC單片機為例）而言，每一指令周期由4個時鐘周期組成，因而將控制字寫入鑒相器時共需要96個指令周期，即384個時鐘周期，這在一定程度上增加了跳頻時間（以20MHz時鐘為例，完成96個指令周期需要19 μs）。另外，單片機在運行中存在程序跑飛的情況，這在一定程度上增加了環(huán)路失鎖的可能性。

CPLD（復(fù)雜可編程邏輯門陣列）不存在指令周期的限制，編程后就是一個能完成預(yù)定功能的組合邏輯電路，對本設(shè)計而言其串行輸出的時鐘周期就等于CPLD輸入的時鐘周期，這將大大縮短將控制字寫入鑒相器的時間。相對于FPGA而言，CPLD具有保密性好、可靠性高等優(yōu)勢。

FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯器件）其功能與CPLD基本一致，但其規(guī)模和邏輯復(fù)雜度更高。

綜上，從性能、工程成本等方面考慮，將CPLD作為控制單元的邏輯控制器件。

圖2　鎖相頻率源原理框圖

頻率源的發(fā)射本振和接收本振均采用鎖相振蕩源直接分頻鎖相產(chǎn)生。CPLD作為控制單元核心器件，完成對外部跳頻控制信號譯碼并向鑒相器寫入控制字，實現(xiàn)跳頻及輸出鎖相環(huán)失鎖指示的功能。VCO輸出經(jīng)過定向耦合器后分為兩路，其直通支路輸出給外部組件，而耦合支路信號進入鑒相器ADF4107中與晶振信號進行鑒相，經(jīng)過環(huán)路低通濾波后加到VCO的電壓調(diào)諧端，形成閉環(huán)鎖相。

相位噪聲是頻率源的核心指標(biāo)，與鑒相器、晶振、VCO、環(huán)路直接相關(guān)。鑒相器ADF4107在10 MHz鑒相的相噪基底約為-149 dBc/Hz，輸出的發(fā)射本振頻率相噪惡化約52.9～53.2 dB，即輸出信號相噪為-96.1～-95.8 dBc/Hz@1 kHz。晶振惡化約46.8～47.2 dB，即相噪為-88.2～-87.8 dBc/Hz@1 kHz。則VCO輸出頻率在1 kHz處相噪為-87.5～-87.2 dBc/Hz@1 kHz。

使用ADIsimPLL軟件對鎖相環(huán)路進行仿真，所得結(jié)果見圖3。

圖3　本振信號相位噪聲仿真圖

仿真結(jié)果顯示輸出頻率 f0的相噪為-87.3 dBc/Hz@1 kHz，與理論計算值保持一致。

跳頻速度直接影響頻率源抗干擾頻點切換，跳頻所需的頻率建立時間主要由環(huán)路帶寬決定。

圖4　本振信號頻率建立時間仿真曲線

從圖4可以看出，在200 MHz帶寬內(nèi)頻率穩(wěn)定到1 MHz以內(nèi)不到15 μs，穩(wěn)定到1 kHz以內(nèi)不到30 μs，穩(wěn)定到10Hz是39μs，可以達到快速跳頻的時間要求。

2.2輸出信號全溫功率穩(wěn)定性設(shè)計

受到微電子器件自身物理特性的影響，微波功率管飽和功率及放大增益在高低溫時會有一定幅度的變化。為實現(xiàn)輸出功率全溫穩(wěn)定性，需要對功率放大器放大鏈路電平進行合理分配，使末前級功率管處于淺飽和狀態(tài)，末級功率管處于1 dB壓縮狀態(tài)，這樣可保證功率放大器在全頻帶、全溫范圍內(nèi)均能有穩(wěn)定的功率輸出。

考慮到輸出電平的要求，發(fā)射模塊采用4級推動方式實現(xiàn)功放鏈路指標(biāo)。發(fā)射鏈路電平分配如圖5所示。

圖5　功放鏈路分配圖

功率放大器在工作過程中易產(chǎn)生低頻串?dāng)_和高頻自激，為了防止這一現(xiàn)象，功率管柵、漏級饋電均采用合適的去耦電容，配合饋電電路中加入的防振蕩網(wǎng)絡(luò)，以保證功率放大器可靠、穩(wěn)定地工作。

2.3收發(fā)通道高隔離設(shè)計技術(shù)

測高系統(tǒng)射頻前端工作模式多采用接收連續(xù)、發(fā)射分時復(fù)用模式。為保證測高狀態(tài)地表回波接收靈敏度，對微波組件信道收發(fā)隔離提出較高要求，要求在微波組件內(nèi)部信號泄露極低，當(dāng)組件發(fā)射端口端接微波負載時，中頻信號輸出端口頻譜監(jiān)測無泄漏信號。

收發(fā)通道信號串?dāng)_的途徑主要包括空間和電路兩個方面。本電路設(shè)計中通過設(shè)置衰減器、隔離器、選通濾波器等措施，盡量消除特性阻抗突變的環(huán)節(jié)，消除可能出現(xiàn)的無謂的電磁輻射；各單元電路間的直流、脈沖信號饋線均通過穿芯電容或饋通濾波器實現(xiàn)；組件腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用分腔設(shè)計、內(nèi)嵌蓋板、窄槽設(shè)計等方式，確保微波信號的空間隔離。

通過以上3個方面的設(shè)計，有效保障了微波組件收發(fā)信道隔離度。當(dāng)發(fā)射通道正常工作時（信號功率大于42dBm），實測中頻輸出端口信號幅值小于-75dBm，收發(fā)隔離達到117 dBc以上。

2.4上變頻模塊設(shè)計

上變頻模塊用于發(fā)射本振與輸入調(diào)制信號混頻，得到需要的發(fā)射頻率，并采用濾波器對組件上變頻后的載波和邊帶信號進行抑制。由于輸入信號為調(diào)制信號，需要考慮適當(dāng)拓寬濾波器帶寬，包納主要副瓣，以滿足中頻調(diào)制信號的信號帶寬要求。上變頻模塊設(shè)計框圖如圖6所示。

圖6　上變頻模塊原理框圖

2.5控制模塊設(shè)計

控制模塊主要包括3部分:二態(tài)衰減器、耦合器以及一個單刀單擲開關(guān)。

衰減部分采用兩態(tài)衰減器控制，可以穩(wěn)定、可靠地實現(xiàn)輸出功率電平大小的切換。

耦合器采用λg/4耦合線設(shè)計，可以較好地實現(xiàn)信號主路與耦合路之間的相互隔離。

具體微波電路結(jié)構(gòu)圖見圖7。

圖7　控制模塊微波原理框圖

2.6自檢模塊設(shè)計

自檢模塊包括定向耦合器、自檢微波開關(guān)和衰減器，見圖8。

衰減器用于控制系統(tǒng)自檢時系統(tǒng)接收部分通過定向耦合器接收的輸入信號電平。設(shè)計衰減量約20dB，采用三級衰減器以方便調(diào)整。

自檢微波開關(guān)用于控制自檢狀態(tài)下輸入到接收支路的信號，需要實現(xiàn)較高的隔離度，才能盡量減弱發(fā)射工作狀態(tài)下泄漏信號對接收支路的影響。設(shè)計采用PIN開關(guān)電路5級管芯全并聯(lián)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足設(shè)計要求，并且可以實現(xiàn)工作與自檢狀態(tài)的快速切換。

定向耦合器采用標(biāo)準λg/4電長度設(shè)計，以盡量減弱耦合支路對主路信號的影響[3]。設(shè)計耦合度20 dB、插損0.1 dB。

圖8　自檢模塊功能框圖

2.7接收模塊設(shè)計

接收模塊包括限幅器、低噪聲放大器、鏡像抑制混頻器和中頻放大器4部分功能電路，見圖9。

限幅器采用兩級限幅管芯設(shè)計，既能滿足功率要求，又可減少插損，提高接收靈敏度。

低噪聲放大器要求主要是適當(dāng)高的增益和盡可能低的噪聲系數(shù)，適當(dāng)?shù)脑鲆婕瓤梢詽M足接收支路增益要求、又可以降低后級電路的噪聲貢獻。設(shè)計增益24 dB、噪聲系數(shù)1.0 dB、1 dB壓縮功率大于-20 dBm，可以滿足整個通道的噪聲系數(shù)、動態(tài)范圍的要求。綜合考慮組件布局，加入2 dB溫補衰減器以補償全溫狀態(tài)系統(tǒng)增益變化。

混頻電路主要實現(xiàn)下變頻和放大中頻信號幅度至系統(tǒng)要求的電平。該處混頻器的鏡像抑制度在25dB左右，可以有效消除鏡頻噪聲對接收通道的影響，滿足組件的鏡像抑制度要求。中放與π型衰減器配合使用，以保證接收支路的總增益。

圖9　接收模塊功能框圖

3　測試結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計思路，完成了接收機樣品的研制，實物產(chǎn)品如圖10所示。經(jīng)過測試，產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示。

圖10　接收機樣品實物圖

表1　主要指標(biāo)測試內(nèi)容及結(jié)果

4　結(jié)論

本文介紹了一種高度表測量系統(tǒng)用射頻前端組件的設(shè)計方案和細節(jié)。射頻前端組件較好地實現(xiàn)射頻信號產(chǎn)生、發(fā)射輸出、接收放大和信號變頻等功能，重點解決了收發(fā)隔離高、發(fā)射功率穩(wěn)定性、雜波抑制等技術(shù)問題。目前，該產(chǎn)品已成功應(yīng)用于某高度表測量系統(tǒng)中，可以作為同類型產(chǎn)品的設(shè)計參考。

[1]顧其諍，項家楨，袁孝康.微波集成電路設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，1978.

[2]弋穩(wěn).雷達接收機技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3]清華大學(xué)《微帶電路》編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社，1975：171.

A Design of RF Front-end TR Module for Altimeter Measuring System

CAI Mao,PAN Bei,YU Jian,MA Jianjun,WEN Yanbing
（Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016,China）

The paper briefly introduces a design of the RF front-end TR module for altimeter measuring system.The design of main functional circuit along with the technological indicators is discussed in details. The RF front-end achieves an output transmit power of 16W and higher;the whole temperature stability for output power is less than 0.1 dB/10℃;the transmit-receive isolation is greater than 112 dBc and the port leakage is below 34 dBμV.

altimeter measuring system;RF front-end TR module;transmit power;whole temperature stability for output power;transmit-receive isolation;port leakage

TN402

A

1681-1070（2016）11-0027-04

2016-5-20

蔡茂（1981—），男，四川簡陽人，中國電子科技集團公司第55研究所工程師，從事微波電路設(shè)計與研究；

潘碑（1981—），男，四川瀘州人，中國電子科技集團公司第55研究所高級工程師，從事微波電路設(shè)計與研究；

郁 ?。?972—），男，江蘇啟東人，中國電子科技集團公司第55研究所高級工程師，從事微波電路設(shè)計與研究；

馬建軍（1965—），男，江西南昌人，中國電子科技集團公司第55研究所研究員級高級工程師，從事微波電路設(shè)計與研究；

溫艷兵（1980—），男，山西太谷人，中國電子科技集團公司第55研究所高級工程師，從事微波電路設(shè)計與研究。