C 波段收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙云

摘要：基于實(shí)際應(yīng)用需求，采用超外差結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款 C 波段收發(fā)信機(jī)。收發(fā)信機(jī)采用異頻雙工模式工作，收發(fā)頻帶可互換，接收單元具有 60 dB 自動(dòng)增益控制（AGC）動(dòng)態(tài)范圍，并具有鏈路增益程序控制功能，發(fā)射功能模塊飽和輸出功率為20 W，飽和狀態(tài)下具有 18 dBc 雙音互調(diào)特性。設(shè)計(jì)方案經(jīng)樣機(jī)驗(yàn)證，性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，可為同類型產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計(jì);異頻雙工;組合干擾;收發(fā)隔離;自動(dòng)增益控制

中圖分類號：TN859 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-1739（2021）13-63-3

Design and Implementation of a C-band Transceiver

ZHAO Yun

（ The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract： Based on practical application requirements，a type of C-band transceiver is designed with superheterodyne systemstructure. This transceiver works in duplex mode with interchangeable receiving and transmitting frequency bands. The receiver unit has60 dB AGC dynamic range， and has a remote programmable gain control function. The transmitter unit has 18 dBc two-toneintermodulation characteristic at saturated 20 W output power. The hardware circuit has been completed and the test results meet thesystem performance requirements. The proposed transceiver can provide valuable reference for design of similar products.

Keywords：modular design;duplex mode at different frequencies;combination interference;transceiver isolation;automatic gaincontrol

0 引言

隨著寬帶通信技術(shù)的發(fā)展與成熟，各種通信應(yīng)用對系統(tǒng)指標(biāo)提出了更高的要求，其中包括提高峰值數(shù)據(jù)速率、小區(qū)邊緣速率、頻譜利用率、抗多徑干擾及快速接入等。射頻收發(fā)模塊在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上需要及時(shí)適應(yīng)這些系統(tǒng)需求，在線性性能、功耗及效率等指標(biāo)之間進(jìn)行折中設(shè)計(jì)。GaN 高功率器件的發(fā)展為發(fā)射模塊設(shè)計(jì)提供了解決方案。收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要綜合考慮各指標(biāo)，尤其是收發(fā)隔離、變頻組合干擾抑制等，確保收發(fā)通道傳輸信號的有效可靠。

1 指標(biāo)設(shè)計(jì)

收發(fā)信機(jī)的常規(guī)設(shè)計(jì)指標(biāo)包括：工作頻段、帶寬、頻率步進(jìn)、噪聲系數(shù)、增益及發(fā)射功率等，本收發(fā)信機(jī)的具體指標(biāo)為：射頻工作頻段 BW1，BW2;中頻帶寬 20 MHz;接收機(jī)噪聲系數(shù)≤4 dB;發(fā)射雙音交調(diào)≥18 dBc@1MH 間距;接收通道增益≥110 dB;接收通道 AGC 動(dòng)態(tài)范圍≥70 dBc;發(fā)射功率≥43dBm;頻率步進(jìn) 0.5 MHz，收發(fā)頻率可互換。

2 設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)性能指標(biāo)分析

系統(tǒng)采用超外差二次變頻結(jié)構(gòu)，模塊化結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)主要包括接收單元、發(fā)射單元、時(shí)鐘單元、電源和控制單元、雙工器及同軸開關(guān)等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

本振電路集成到接收單元和發(fā)射單元，為通道上、下變頻提供本振驅(qū)動(dòng)信號。為提高本振單元相位噪聲和頻率準(zhǔn)確性，采用恒溫晶振作為鎖相參考，同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)頻率綜合器環(huán)路電路設(shè)計(jì)。

接收單元和發(fā)射單元通過同軸開關(guān)與雙工器組合選擇收發(fā)頻率范圍。雙工器發(fā)射端口功率較大，發(fā)射信號經(jīng)雙工器后要保證低噪聲放大器不被泄漏信號堵塞，同時(shí)為避免發(fā)射端輸出的接收頻段噪聲高于接收信號導(dǎo)致接收信號被淹沒，設(shè)計(jì)雙工器的收發(fā)隔離度為 80 dB，同樣，同軸開關(guān)矩陣的隔離度設(shè)計(jì)為 80 dB。

發(fā)射單元射頻鏈路對變頻后的信號為線性放大，以滿足系統(tǒng)應(yīng)用對信號線性化指標(biāo)的要求，末級采用一個(gè)具有 40 W飽和功率輸出的 GaN 功率管完成功率信號輸出，保證信號經(jīng)過同軸開關(guān)和雙工器后功放輸出功率大于 20 W，同時(shí)滿足信號雙音交調(diào)大于 18 dBc 的指標(biāo)要求。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)雜散抑制指標(biāo)，首先要求本振輸出信號的頻譜純凈度，其次在混頻器輸出端增加濾波器，濾除接收單元和發(fā)射單元不同的混頻產(chǎn)物。

3 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)射單元設(shè)計(jì)

發(fā)射單元電路由一次上變頻單元、二次上變頻單元、小信號驅(qū)動(dòng)放大和功率放大單元組成。變頻后功率放大部分為寬帶放大，組件收發(fā)頻段共用，輸出雙工器收發(fā)頻段間抑制設(shè)計(jì)80 dBc，要保證發(fā)射通道落入接收通道的雜波低于 -137 dBm/Hz，中頻濾波器對落入發(fā)射通道的雜波抑制需達(dá)到 85 dB 以上，此指標(biāo)實(shí)現(xiàn)是發(fā)射通道設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。發(fā)射通道一變頻本振采用定本振，頻率為 BW3 中，二變頻本振為變本振，頻率為BW4。發(fā)射通道頻率變換對接收通道產(chǎn)生的變頻組合干擾如表 1 和表 2 所示。

根據(jù)上述計(jì)算，組合干擾的階數(shù)在 5 次以上的影響較小，位于 2.03 GHz 的干擾對指標(biāo)實(shí)現(xiàn)影響最大，抑制指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是一變頻輸出濾波器選擇。為保證系統(tǒng)的交調(diào)指標(biāo)，發(fā)射通道混頻器輸入號功率控制在 -5 dBm 左右。通道的增益分配如表 3 所示，輸入功率為 0 dBm，功率放大器選用國產(chǎn) GaN 功率放大器 CGH55015F25 實(shí)現(xiàn)。

3.2 接收通道設(shè)計(jì)

接收通道由限幅低噪放單元、一次下變頻單元、二次下變頻單元和中頻 AGC 單元組成，程控衰減器放置在低噪放單元之后，可在大信號輸入飽和時(shí)對信號幅度進(jìn)行衰減，保證通信質(zhì)量。限幅低噪放單元選用芯片模塊化封裝實(shí)現(xiàn)。發(fā)射單元經(jīng)雙工器進(jìn)入接收單元的信號電平約為 40 dBm，為達(dá)到良好的收發(fā)隔離，變頻單元需要對該射頻信號進(jìn)行有效濾除。二次下變頻單元包括濾頻器、濾波器及功分器等，變頻后信號一部分經(jīng) AGC 單元給基帶板，一部分給檢波器做 RSSI 指示。AGC 單元中有濾波器組，完成中頻寬窄帶切換。

接收通道雜波干擾主要由兩部分組成：一部分是進(jìn)入接收通道的高電平發(fā)射信號，一部分是接收單元本振組合干擾。經(jīng)計(jì)算，該部分信號與本振組合處的落入通帶的信號組合階次均在 7 次以上，該部分信號比較小。落入通帶外的雜波可通過混頻器后的鏡像抑制濾波器濾除，AGC 單元采用 AD 公司的VGA 芯片 ADL5330[3]和檢波器 AD8318[4]組合實(shí)現(xiàn)。接收通道增益分配如表 4 所示。

3.3 控制及接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)內(nèi)部及對外控制接口如表 5 所示?？刂乒δ芗稍陔娫醇翱刂茊卧獌?nèi)部，通過 STM32F103[5]Cortex-M3 處理器實(shí)現(xiàn)。處理器通過 12C 接口實(shí)時(shí)接收上位機(jī)傳來的控制指令，并根據(jù)指令要求進(jìn)行動(dòng)作，同時(shí)處理器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)，并根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)功能。

4 樣品性能測試

對樣品加電進(jìn)行測試，收發(fā)單元相噪指標(biāo)測試結(jié)果如表 6所示。發(fā)射單元輸出標(biāo)稱功率時(shí) 1 MHz 間隔的雙音信號交調(diào)抑制指標(biāo)測試結(jié)果為 21 dBc。對接收單元?jiǎng)討B(tài)進(jìn)行測試，AGC起控點(diǎn)為 -50 dBm，控制范圍為寬帶（25 MHz 信號帶寬）45 dB，窄帶（300 kHz）56 dB。

5 結(jié)束語

采用超外差結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款 C 波段收發(fā)信機(jī)射頻模塊，經(jīng)測試滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。本文詳細(xì)介紹了方案，并對設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)論述，可為類似設(shè)計(jì)提供一定的參考。該設(shè)計(jì)采用 GaN 器件實(shí)現(xiàn)功放單元，相對 GaAs 器件效率雖有改善，但整機(jī)效率仍舊偏低。為適應(yīng)現(xiàn)代寬帶通信技術(shù)發(fā)展，后續(xù)可引入功放預(yù)失真[6]技術(shù)以改善效率及系統(tǒng)線性。

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