毫米波彈載多通道收發(fā)前端設(shè)計(jì)

文/花婷婷

毫米波彈載多通道收發(fā)前端設(shè)計(jì)

文/花婷婷

本文介紹了一種毫米波彈載五通道集成收發(fā)前端的主要構(gòu)成和技術(shù)要點(diǎn)，基于小型化的設(shè)計(jì)思想，詳細(xì)闡述了各主要關(guān)鍵部件前置低噪放、二次變頻通道、本振功分和電源及控制等電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布局。完成的收發(fā)前端具有接收高增益、低噪聲、發(fā)射功率大及集成度高的特點(diǎn)。

Ka波段 收發(fā)前端 小型化 多通道

1 引言

毫米波頻段具有頻帶寬，波長(zhǎng)短，抗干擾能力強(qiáng)，波束窄，容量大和保密性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于精確制導(dǎo)系統(tǒng)。借助于成熟發(fā)展的MMIC 技術(shù), 可以更好實(shí)現(xiàn)信道的集成化、小型化, 更適合于彈載等高集成環(huán)境下使用。

本文設(shè)計(jì)的毫米波多通道收發(fā)前端是彈載導(dǎo)引頭的核心部件之一，其性能指標(biāo)決定了導(dǎo)引頭整機(jī)作戰(zhàn)性能，它主要完成四路毫米波信號(hào)的接收、下變頻放大至中頻輸出，和一路上變頻發(fā)射激勵(lì)。本文圍繞收發(fā)前端各功能組成展開(kāi)，同時(shí)由于彈載有效載荷空間的限制，對(duì)整個(gè)導(dǎo)引頭包括五通道收發(fā)前端的重量和體積提出了更為嚴(yán)苛的指標(biāo)，大大增加了設(shè)計(jì)難度。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

五通道的毫米波收發(fā)前端原理框圖如圖1所示。它包括四路完全相同的下變頻接收通道、一路上變頻發(fā)射通道和收發(fā)共用的兩個(gè)本振功分網(wǎng)絡(luò)。其中，發(fā)射通道接收來(lái)自波形產(chǎn)生的L波段信號(hào)，將其上變頻至Ka波段的發(fā)射頻率，放大后送給發(fā)射功放，輸出功率經(jīng)天線(xiàn)輻射在空間形成大功率發(fā)射信號(hào)；Ka波段回波信號(hào)經(jīng)天線(xiàn)接收送到四路接收通道中，經(jīng)前置低噪放放大后送入二次下變頻通道變?yōu)長(zhǎng)波段信號(hào)送數(shù)字處理。除上述射頻功能外，五通道的收發(fā)前端還應(yīng)包括低頻控制電路和電源分配電路，負(fù)責(zé)給五個(gè)射頻通道提供控制電平、電源驅(qū)動(dòng)等功能。

2.2 結(jié)構(gòu)布局

本文設(shè)計(jì)的五通道收發(fā)前端利用疊層結(jié)構(gòu)、立體布局實(shí)現(xiàn)小尺寸高集成。小型化五通道收發(fā)前端電路結(jié)構(gòu)平面布局如圖2，結(jié)構(gòu)腔體正面為四個(gè)接收下變頻通道和一個(gè)發(fā)射上變頻通道，射頻通道背面對(duì)應(yīng)相應(yīng)的電源濾波電路及控制電路，對(duì)應(yīng)電源及控制接口由絕緣子傳輸。一本振功分電路考慮到頻率很高，布局置于射頻變頻通道同面，保證其駐波及損耗特性。二本振功分電路頻率相對(duì)較低，置于變頻通道背面，通過(guò)射頻垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)，回傳至變頻通道。為避免各通道之間的相互影響，提高通道之間的隔離度，在各通道之間設(shè)置了金屬隔板進(jìn)行屏蔽。收發(fā)通道結(jié)構(gòu)上采用直尺分布、回轉(zhuǎn)隔腔布局，實(shí)現(xiàn)高密度集成。

3 工程實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)的解決

3.1 前置低噪放

由多級(jí)器件噪聲系數(shù)公式可知, 前級(jí)放大器的噪聲系數(shù)決定了整個(gè)接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù), 而放大器較高的增益可以削弱后級(jí)電路對(duì)噪聲系數(shù)的影響。Ka波段前置低噪放模塊主要由波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換、限幅器、毫米波低噪聲放大器及保護(hù)開(kāi)關(guān)等組成，一般設(shè)計(jì)為雙平衡結(jié)構(gòu)，原理圖如圖3所示。輸入端采用低損耗的90度3dB電橋。由于雙路回波反射在隔離口抵消，天線(xiàn)單元與限幅低噪放輸入失配得到很大改善，從而消除了回波反射損耗。同時(shí)雙路工作降低了限幅器耐功率指標(biāo)，也大大提高了系統(tǒng)可靠性。該前置低噪放模塊的小信號(hào)增益設(shè)計(jì)為20dB，輸出P-1為10dBm，限幅器的耐功率設(shè)計(jì)為20W。

3.2 二次變頻通道

由于系統(tǒng)工作在Ka波段，接收信號(hào)的頻率較高，而高精度數(shù)字采集的中頻頻率很低。變頻方案的選擇對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。采用一次變頻方案時(shí)，鏡像頻率、本振頻率和射頻頻率離得很近，使得一次鏡像抑制無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)要求。三次變頻方案固然可以帶來(lái)接收機(jī)的高性能，但是帶來(lái)了設(shè)備體積、功耗的增大及整機(jī)復(fù)雜性的提高，不利于彈載高集成環(huán)境應(yīng)用。綜合以上因素，本文設(shè)計(jì)采用優(yōu)化的兩次變頻方案。中頻選擇與最新AD/DA技術(shù)成果匹配的L波段信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模擬中頻濾波高鏡像抑制，同時(shí)滿(mǎn)足SAR成像對(duì)數(shù)字接收高信噪比要求。一本振采取11跳點(diǎn)，間隔100MHz，二本振采取2跳點(diǎn)，間隔50M。一、二本振雙重跳頻技術(shù)的使用，降低了一本振設(shè)計(jì)難度，使得整個(gè)系統(tǒng)獲得更優(yōu)良的技術(shù)指標(biāo)。

完整的單通道接收前端原理框圖如圖4。整個(gè)接收前端分為兩部分，即前置低噪放模塊和二次下變頻接收通道，低噪放模塊的輸出與接收通道的輸入通過(guò)電纜相互連接。

發(fā)射前端與接收前端共用兩個(gè)本振信號(hào)，同時(shí)也共用混頻器和濾波器，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，也有利于收發(fā)前端的小型化。

圖1：毫米波五通道收發(fā)前端原理框圖

（a）正面

圖2：小型化五通道收發(fā)前端電路結(jié)構(gòu)平面布局圖

3.3 本振功分電路

毫米波彈載多通道收發(fā)前端的一本振頻率較高為Ka波段，此時(shí)微帶線(xiàn)尺寸和腔體效應(yīng)所帶來(lái)的影響已不能忽略不計(jì)了。系統(tǒng)通過(guò)在微波波段鎖相混頻得Ku波段基頻信號(hào)，然后通過(guò)功分電路進(jìn)入五個(gè)收發(fā)通道后再分別倍頻、放大到Ka波段。二本振信號(hào)頻率較低為C波段，則直接通過(guò)功分電路分配至五個(gè)收發(fā)通道。

圖3：Ka波段平衡式限幅低噪放原理框圖

圖4：接收前端原理框圖

圖5：串并轉(zhuǎn)換的功能框圖

本振信號(hào)經(jīng)功分電路分為五路進(jìn)入收發(fā)通道，其中四路接收通道的本振功率應(yīng)該相同。考慮到本振功分電路體積的限制，功分電路全部由功分芯片實(shí)現(xiàn)，本振信號(hào)先經(jīng)過(guò)一個(gè)三路功分器分為三路，一路直接進(jìn)入發(fā)射通道，另外兩路分別經(jīng)過(guò)一個(gè)二路功分器再一分二變?yōu)樗穆贩謩e進(jìn)入四個(gè)接收通道。

3.4 電源及控制電路

收發(fā)前端背面的低頻電源與控制電路主要完成DC/DC變換、加電保護(hù)和通道數(shù)控衰減器控制碼串并轉(zhuǎn)換的功能。串并轉(zhuǎn)換模塊是采用CMOS工藝制造的單片集成電路，實(shí)現(xiàn)將單路差分串行輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位并行數(shù)據(jù)輸出，并帶有±15mA的輸出驅(qū)動(dòng)能力。其功能框圖如圖5所示。

電源分配濾波電路主要用于將外部供電分配至通道有源器件對(duì)應(yīng)饋電絕緣子處以及對(duì)電源網(wǎng)絡(luò)中干擾信號(hào)的濾除。在交直流信號(hào)疊加的電路中濾除交流分量而保留直流分量，主要由電容、電感、磁珠等無(wú)源器件組合而成。濾波器件電感、磁珠串接，而另一種濾波器件電容的兩極則分別并聯(lián)和接地，構(gòu)成濾波旁路。

3 測(cè)試結(jié)果

對(duì)該Ka波段收發(fā)前端進(jìn)行測(cè)試,可達(dá)到的指標(biāo)如下：

接收增益：≥60dB；

噪聲系數(shù)：≤6.5dB；

多路間隔離度：≥40dB；

發(fā)射功率：≥16dBm；

發(fā)射雜波抑制度：≥40dBc；

五通道收發(fā)前端結(jié)構(gòu)尺寸：≤110mm×115mm×23mm。

4 結(jié)論

本文基于毫米波彈載平臺(tái)的系統(tǒng)要求，采用收發(fā)共用優(yōu)化的二次變頻體制，設(shè)計(jì)出了一種高性能、多通道、輕小型的Ka波段收發(fā)前端。本文重點(diǎn)闡述了組成收發(fā)前端的各功能部件，分析了影響收發(fā)前端關(guān)鍵指標(biāo)的多種因素,采取相應(yīng)優(yōu)化措施并準(zhǔn)確設(shè)計(jì)關(guān)鍵電路,通過(guò)測(cè)試結(jié)果可知各個(gè)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化措施及設(shè)計(jì)方法同樣適用于其它毫米波頻段的收發(fā)前端設(shè)計(jì)。

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作者單位 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088

花婷婷（1987-），女，江蘇省東臺(tái)市人。博士學(xué)位。工程師。主要研究方向?yàn)槲⒉ü虘B(tài)電路及收發(fā)系統(tǒng)。