一種可重構(gòu)的寬帶射頻前端設(shè)計(jì)*

郭昭楊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

隨著航空電子系統(tǒng)向數(shù)字化﹑一體化﹑寬頻帶方向發(fā)展[1]，航空電子設(shè)備對(duì)射頻信道要求越來(lái)越高。對(duì)于射頻收發(fā)信道來(lái)說(shuō)，必須面對(duì)寬頻帶﹑多模式﹑高峰均功率比和信號(hào)高質(zhì)量等產(chǎn)生的新要求，同時(shí)要在更小的體積和功耗條件下實(shí)現(xiàn)[2]。過(guò)去航空電子設(shè)備功能單一﹑花費(fèi)較多，因此研究開(kāi)發(fā)一種工作頻段寬﹑開(kāi)放性好﹑可根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展﹑能適應(yīng)多種不同信號(hào)﹑能執(zhí)行多種處理任務(wù)的可重構(gòu)寬帶射頻前端，是現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)的必然要求[2]。

1 綜合化設(shè)計(jì)對(duì)射頻前端的要求

由于工作對(duì)象和目的的區(qū)別，不同的航空電子系統(tǒng)對(duì)射頻前端的要求不同。例如，偵察系統(tǒng)往往采用寬開(kāi)設(shè)計(jì)，射頻接收前端的大動(dòng)態(tài)，低虛假響應(yīng)是發(fā)展方向。而通信系統(tǒng)多采用窄帶形式，在頻域上只占據(jù)有限的帶寬[3]，射頻前端追求低噪聲大動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，同時(shí)通信系統(tǒng)更加注重實(shí)時(shí)性。要實(shí)現(xiàn)各種航空電子系統(tǒng)的綜合化一體化設(shè)計(jì)，射頻前端必須滿足寬帶輸入﹑增益可重構(gòu)﹑頻率可重構(gòu)的特點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，射頻前端需解決以下問(wèn)題：

（1）工作頻率覆蓋寬頻段；

（2）工作模式可軟切換，并根據(jù)系統(tǒng)需求對(duì)收發(fā)通道進(jìn)行重新構(gòu)建；

（3）預(yù)選器工作頻率可重構(gòu)；

（4）工作帶寬可動(dòng)態(tài)調(diào)整；

（5）增益可動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2 射頻前端的架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，射頻前端架構(gòu)主要有射頻直接采樣﹑零中頻和超外差三種架構(gòu)。

射頻直接采樣是最理想的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)，原理如圖1所示。

美國(guó)總統(tǒng)特朗普在談到網(wǎng)絡(luò)司令部升級(jí)問(wèn)題時(shí)強(qiáng)調(diào)，這體現(xiàn)了美國(guó)抵御網(wǎng)絡(luò)威脅的戰(zhàn)略決心，能夠消除美國(guó)盟友和伙伴的疑慮，并對(duì)敵人形成威懾。這一聲明，不僅向全世界公告了網(wǎng)絡(luò)空間司令部升級(jí)，也是在進(jìn)一步劃分利益圈。隨著美國(guó)在網(wǎng)絡(luò)空間霸主地位的確立，其維護(hù)世界范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)空間主導(dǎo)權(quán)的野心也昭然若揭，必然會(huì)加強(qiáng)與其盟國(guó)制訂利己排外的網(wǎng)絡(luò)空間國(guó)際規(guī)則。

圖1 射頻直采原理

射頻帶通采樣結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)基于帶通采樣原理，在A/D采樣前利用帶寬相對(duì)較窄的帶通濾波器實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波，同時(shí)對(duì)所需頻帶的信號(hào)進(jìn)行選擇放大。該技術(shù)難點(diǎn)集中在前置窄帶濾波器﹑大動(dòng)態(tài)范圍及高采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這是目前限制該結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要原因。

零中頻技術(shù)是將射頻直接變換到基帶[4]，原理如圖2所示。

圖2 零中頻架構(gòu)

零中頻技術(shù)采用正交下變頻方式獲得基帶信號(hào)。因?yàn)楸菊裥盘?hào)頻率與射頻信號(hào)頻率相同，所以其鏡象頻率就是射頻頻率本身。因此，該方案不存在鏡象頻率信號(hào)的干擾，也就不需要超外差架構(gòu)中的鏡象抑制濾波器和選擇性要求很高的中頻濾波器。零中頻架構(gòu)目前應(yīng)用較為廣泛，尤其是在民用通信領(lǐng)域。

超外差技術(shù)是采用多次混頻將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到中頻然后再進(jìn)行放大和解調(diào)。超外差式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于性能穩(wěn)定，尤其是抗干擾能力強(qiáng)。這是通過(guò)鏡像抑制濾波器和選擇性較好的中頻濾波器實(shí)現(xiàn)的。缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，如混頻器不線性造成的組合干擾頻點(diǎn)多等問(wèn)題。超外差結(jié)構(gòu)需要性能良好的濾波器濾除干擾，這些濾波器的制作受限于材料和工藝，不能集成。所以，超外差結(jié)構(gòu)一般難以形成小型化系統(tǒng)。

綜合來(lái)看，目前技術(shù)條件下，零中頻方案在各校指標(biāo)上表現(xiàn)較為均衡。考慮實(shí)現(xiàn)性和一定的前瞻性，零中頻架構(gòu)均是較好的選擇。

3 射頻前端的寬頻段可重構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)射頻信道的可重構(gòu)，零中頻體制是比較好的選擇。但是，不論采用什么體制，都必須實(shí)現(xiàn)射頻前端的可重構(gòu)化，如預(yù)選器﹑放大器的重構(gòu)等。同時(shí)，需結(jié)合目前現(xiàn)有及新興的一些工藝手段如LTCC﹑MEMS等，實(shí)現(xiàn)射頻前端的寬頻段化。

3.1 預(yù)選器重構(gòu)

由于日漸復(fù)雜的電磁環(huán)境，空間中分布著各種不需要的電磁頻率。此時(shí)，需要有多個(gè)可獨(dú)立對(duì)不同頻率點(diǎn)進(jìn)行預(yù)選的預(yù)選器進(jìn)行信號(hào)的篩選工作。目前，比較主流的預(yù)選器有腔體﹑YIG﹑LC等多種實(shí)現(xiàn)形式。其中，LC濾波器在實(shí)現(xiàn)成本﹑尺寸上有著較大優(yōu)勢(shì)，在工程中的應(yīng)用也最為廣泛。因此，本文以LC預(yù)選器的重構(gòu)為重點(diǎn)進(jìn)行闡述。

LC預(yù)選器需要能夠根據(jù)頻率調(diào)諧碼或者壓控電壓改變?yōu)V波器的中心頻率。頻率調(diào)諧碼一般通過(guò)電容陣列實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧，壓控電壓則通過(guò)調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管直流偏置電壓來(lái)改變變?nèi)荻O管的電容值，從而實(shí)現(xiàn)改變?yōu)V波器中心頻率的目的。本文以壓控電壓調(diào)諧濾波器為例，在ADS中建立電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。D1～D4為變?nèi)荻O管，采用背靠背對(duì)管的形式可改善其偶階失真。變?nèi)荻O管的反向偏置電壓與變?nèi)荻O管的電容值成反比，而諧振頻率所以，諧振頻率將隨著壓控電壓的升高而升高，從而實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)諧。

圖3 電壓調(diào)諧濾波器電路結(jié)構(gòu)

為保證濾波器的高選擇性，選擇電容電感時(shí)應(yīng)選擇Q值較高的。一般貼片電感的Q值都較低，可以采用直徑較大的銅線繞制線圈作為諧振電感。采用高Q的ATC電容作為諧振電容，這樣濾波器的選擇性才能得以提升。同時(shí)，變?nèi)莨艿腝值也相當(dāng)重要，其Q值越大，管子的損耗越小。在反向擊穿電壓VB處，Q值最大。經(jīng)驗(yàn)表明，選擇變?nèi)莨軙r(shí)，為取得最大Q值，應(yīng)選擇變?nèi)荻O管的擊穿電壓與需要的調(diào)諧電壓范圍相當(dāng)。

若諧振頻率覆蓋范圍為fmax和fmin，則可變電個(gè)倍頻程，則需采用多個(gè)工作在不同頻段的跳頻濾波器完成寬頻段的拼接覆蓋。圖4給出了該調(diào)諧濾波器在不同頻點(diǎn)（118 MHz和138 MHz）的S11﹑S21的仿真結(jié)果。

3.2 增益重構(gòu)

射頻前端的增益需要根據(jù)不同的輸入信號(hào)電平加以控制，以保證各級(jí)電路不會(huì)飽和﹑失真。一般各類型的射頻接收機(jī)中都有專門的自動(dòng)增益控制（AGC）電路完成該功能[6]。一種更為理想的方案是射頻前端低噪聲放大器的增益也可動(dòng)態(tài)調(diào)整，這樣更加容易保證系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。圖5設(shè)計(jì)了一個(gè)可變?cè)鲆婧皖l率特性的LNA，其中L1﹑L2為可變電感?？勺冸姼欣肕EMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變可變電感的阻抗實(shí)現(xiàn)LNA匹配電路的重構(gòu)，從而達(dá)到改變?cè)鲆婧皖l率特性的目標(biāo)。

圖4 不同頻點(diǎn)的仿真結(jié)果

圖5 可重構(gòu)的LNA設(shè)計(jì)原理

通過(guò)改變反饋電感的方式，可以實(shí)現(xiàn)放大器增益的調(diào)整。但是，放大器的穩(wěn)定性也會(huì)受到影響。因此，需要計(jì)算出電感量的最小可接受值。此外，受限于工藝水平，目前增益重構(gòu)大多都是可變衰減器或可變?cè)鲆娣糯笃鲗?shí)現(xiàn)的。

3.3 寬頻段設(shè)計(jì)

3.3.1 低噪聲放大器的寬頻段設(shè)計(jì)

各種形式的微波晶體管，其功率增益隨頻率的升高以每倍頻程大約6 dB的規(guī)律下降[7]。要實(shí)現(xiàn)放大器的寬頻帶且工作頻帶內(nèi)增益平坦特性，必須壓低低頻段增益，補(bǔ)償高頻段增益。另外，設(shè)計(jì)一個(gè)寬帶放大器，穩(wěn)定性是最重要的。因?yàn)樵趯掝l帶上有多種阻抗失配，所以要確保放大器在所有頻率上都能穩(wěn)定工作。此外，射頻前端放大器應(yīng)具有低噪聲系數(shù)﹑大動(dòng)態(tài)﹑帶內(nèi)增益平坦和良好的駐波比。選取合適的放大器管芯，根據(jù)其參數(shù)對(duì)放大器進(jìn)行直流掃描﹑偏置電路設(shè)計(jì)﹑建立仿真圖，如圖6所示。

根據(jù)放大器的仿真圖得到其穩(wěn)定性及S參數(shù)﹑噪聲系數(shù)結(jié)果。其中，放大器理論上穩(wěn)定性的充要條件為：

圖6 寬頻段低噪放仿真圖

其中K為穩(wěn)定性因子，即StabFact；

為了放大器絕對(duì)穩(wěn)定并得到合適的增益，放大器需加入源極反饋，并適當(dāng)調(diào)整微帶線長(zhǎng)，得到的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 寬頻段低噪放仿真結(jié)果

放大器頻段還需要擴(kuò)展，仍然采用負(fù)反饋方法擴(kuò)展低噪放的頻帶。通過(guò)仿真計(jì)算，該結(jié)構(gòu)放大器100～2 500 MHz增益可達(dá)20 dB左右，增益不平坦度小于2 dB，噪聲系數(shù)小于3，能夠滿足寬頻段低噪放要求。

3.3.2 寬頻段頻率源設(shè)計(jì)

頻率源是為了給正交調(diào)制解調(diào)器提供本振信號(hào)。此外，收發(fā)信道的跳頻速率也由頻率源的跳速?zèng)Q定。頻率源設(shè)計(jì)如圖8所示，由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的鎖相環(huán)經(jīng)通道開(kāi)關(guān)組合而成。跳頻工作時(shí)輪流輸出本振信號(hào)，亦即通常而言的“乒乓環(huán)”。為了達(dá)到低相位噪聲﹑低雜散﹑高分辨率要求，每個(gè)單環(huán)采用小數(shù)分頻鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率合成。因?yàn)檎麛?shù)分頻鎖相環(huán)在高分辨率情況下鎖定時(shí)間較長(zhǎng)，典型值為毫秒量級(jí)。但是，它在低分辨率情況下（最小步進(jìn)間隔為數(shù)兆赫茲），轉(zhuǎn)換速度可以做到數(shù)十微秒。為了解決高分辨率與高鑒相頻率之間的矛盾，可以采用小數(shù)分頻技術(shù)。另一方面，電路采用“乒乓環(huán)”的構(gòu)成方式，當(dāng)跳頻工作時(shí)，一個(gè)環(huán)路輸出本振信號(hào)，另一個(gè)環(huán)路可同時(shí)進(jìn)入鎖定過(guò)程，大大降低了對(duì)鎖定時(shí)間的要求。同時(shí)，跳頻時(shí)的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間即為電子開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間，通常為納秒的數(shù)量級(jí)。因此，在每一跳時(shí)隙內(nèi)，可不考慮頻率轉(zhuǎn)換所占用的時(shí)間。

圖8 頻率源設(shè)計(jì)

取環(huán)路鑒相頻率為2.5 MHz，則環(huán)路自然角頻率為：

環(huán)路帶寬：

其中ζ=0.707。

設(shè)計(jì)中取BL＝50 kHz，以滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。通過(guò)仿真軟件模擬分析，得出環(huán)路帶寬取50 kHz時(shí)環(huán)路鎖定時(shí)間曲線，如圖9所示。從圖9可知，經(jīng)90 μs左右，本振頻率從225 MHz跳變到400 MHz附近，滿足鎖定時(shí)間指標(biāo)要求。相噪測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖9 時(shí)間－頻率曲線

圖10 相位噪聲測(cè)試

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于航空電子的綜合化需求出發(fā)，對(duì)寬頻段可重構(gòu)射頻信道前端架構(gòu)體制進(jìn)行比較分析，在可重構(gòu)思想指導(dǎo)下，對(duì)低噪放寬頻段設(shè)計(jì)和預(yù)選器的頻率重構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析和重點(diǎn)探討，同時(shí)給出仿真結(jié)果，為后續(xù)工程研制奠定了基礎(chǔ)。

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