一種Ku波段小型化多通道微波模塊設(shè)計

席安安 王祎彬 常 進(jìn) 宋 強(qiáng)

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

雷達(dá)在現(xiàn)代作戰(zhàn)指揮體系中扮演著至關(guān)重要的角色。雷達(dá)會在短時間內(nèi)完成頻率切換，波束掃描等功能，并通過電磁波的收發(fā)利用頻率時間和相位信息完成對于目標(biāo)的監(jiān)測與定位。這對于微波模塊中的頻率綜合器和接收機(jī)的穩(wěn)定度和相干性都提出了很高的要求，因此系統(tǒng)頻率的相位相干性也是雷達(dá)的核心指標(biāo)之一。與此同時，在不同的應(yīng)用場景下，雷達(dá)在保證其性能的同時對于各個分系統(tǒng)的體積，功耗，重量都提出了更高的要求。小型化，輕量化，低功耗的微波電路模塊已經(jīng)成為設(shè)計的熱點之一。

基于以上應(yīng)用需求，本文提出一種Ku波段小型化多通道微波模塊的設(shè)計，該微波模塊按功能可分為頻率綜合器和接收機(jī)。頻率綜合器由參考基準(zhǔn)產(chǎn)生電路、接口控制及波形產(chǎn)生電路、上變頻信號產(chǎn)生電路、開關(guān)及濾波放大電路組成；接收機(jī)由Ku波段接收前端電路、中頻接收電路組成。微波模塊整體框圖如圖1所示。文章的第一節(jié)和第二節(jié)分別給出了頻率綜合器和接收機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計方案，第三節(jié)給出了微波模塊詳細(xì)指標(biāo)分析，第四節(jié)給出了硬件的實現(xiàn)辦法和主要指標(biāo)的測試結(jié)果。

圖1 微波模塊設(shè)計原理圖

1 頻率綜合器設(shè)計

1.1 參考基準(zhǔn)電路

參考基準(zhǔn)相參時鐘信號首先需功分3路：一路作為控制接口電路輸入時鐘；一路作為上變頻輸入電路的參考時鐘；另一路經(jīng)過放大功分2路相參時鐘信號，分別為鎖相環(huán)PLL、PLL的參考時鐘。其中，鎖相環(huán)PLL產(chǎn)生第一本振信號；鎖相環(huán)PLL產(chǎn)生第二本振信號；其頻率步進(jìn)均為10 MHz。本部分電路由晶振、功分、放大、衰減以及2個鎖相環(huán)電路組成，為了保證每部分電路的隔離度，在本電路中設(shè)計放大衰減的隔離措施。

1.2 接口控制及波形產(chǎn)生電路

接口控制及波形產(chǎn)生電路原理圖如圖2所示，該電路主要是為了產(chǎn)生線性調(diào)頻信號和信號處理時鐘，并同時實現(xiàn)和信處系統(tǒng)之間的通信及故障上報功能。在本電路中采用高參考時鐘AD9957來產(chǎn)生載頻為的線性調(diào)頻信號，其最高參考時鐘可達(dá)1000 MHz。

圖2 接口控制及波形信號產(chǎn)生電路

接口控制單元主要完成雷達(dá)前端控制和數(shù)據(jù)通信的功能。經(jīng)過接收解析來自信處的指令，完成對雷達(dá)前端頻綜和接收機(jī)的控制；并接收各個單元電路實時檢測的故檢信號，進(jìn)行邏輯組合后通過同步串口回傳給信處。

由于本系統(tǒng)需要進(jìn)行復(fù)雜的邏輯和時序控制，以及不同工作模式的兼容及準(zhǔn)確切換，同時考慮到波形產(chǎn)生芯片AD9957的I/O接口電壓為3.3 V,對比各類可編程器件的特點，選擇Cyclone3系列144腳FPGA(EP3C5E144I7)芯片作為核心器件來實現(xiàn)系統(tǒng)的時序產(chǎn)生和邏輯控制。其I/O接口的電平為+3.3 V，且功耗低，與DDS芯片AD9957的接口完全匹配，RAM容量大,非常適合產(chǎn)生各種復(fù)雜的時序信號和邏輯。

在本電路設(shè)計過程中，我們打破分系統(tǒng)界限進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計，合并分機(jī)之間功能可以共用的電路。如在頻率綜合器和接收機(jī)的控制接口電路的設(shè)計中，將接收機(jī)的這部分電路合并到頻率綜合器的控制接口電路中，在硬件電路只增加了一片功耗為20 mA左右的驅(qū)動芯片，接收機(jī)的軟件和頻率綜合器的軟件在同一片F(xiàn)PGA中運行，用一個電路實現(xiàn)原先兩個電路的功能。

鎖相環(huán)產(chǎn)生的連續(xù)波信號為正交數(shù)字上變頻器提供參考時鐘，正交數(shù)字上變頻器產(chǎn)生載頻為的多種波形的調(diào)頻信號，經(jīng)過帶通濾波后送給發(fā)射激勵信號產(chǎn)生單元進(jìn)行上變頻。其中本電路中濾波器通帶插損1.2 dB，偏離載頻100 MHz處抑制大于65 dB，從而可以保證在帶外雜散在-75 dBc以下。80 MHz信號處理時鐘信號則由FPGA直接輸出后濾波放大，最終產(chǎn)生諧波小于-40 dBc的時鐘信號。

1.3 上變頻信號產(chǎn)生電路

上變頻電路主要由混頻器、濾波器、放大器、衰減器組成。它通過混頻將的調(diào)頻信號的頻率搬移到，再經(jīng)過濾波和放大產(chǎn)生載頻為的波形信號，送至微波電路組件。

2 接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

接收機(jī)系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 接收機(jī)工作原理框圖

2.1 接收前端電路

接收前端包括和支路通道、差支路通道、匿影通道、相修通道，其中匿影通道、相修通道復(fù)用。其中，本振接收為第一本振隔離放大后再功分為三路，分別送給三路Ku接收通道作為混頻本振；第二本振也隔離放大后再功分為三路，分別送給三路第一中頻接收通道作為混頻本振。信號接收為天線接收到的Ku波段雷達(dá)回波信號通過收發(fā)組件后進(jìn)入Ku波段接收前端，首先經(jīng)過環(huán)形器(差路和匿影沒有環(huán)形器)，然后由濾波器經(jīng)過濾波處理，送給Ku波段混頻器進(jìn)行混頻，下變頻為第一中頻信號。

2.2 中頻接收電路

中頻接收電路主要實現(xiàn)獨立的三通道中頻放大、STC控制、MGC控制、濾波等功能，STC控制信號和MGC控制信號均實現(xiàn)高電平時衰減的功能。其中，第一中頻信號進(jìn)行放大、濾波處理，送到混頻器與來自頻綜分系統(tǒng)的第二本振信號混頻變?yōu)榈诙蓄l信號，再經(jīng)過數(shù)字STC和MGC及放大濾波等處理，最后送出信號至信號處理系統(tǒng)。

3 指標(biāo)分析

3.1 相位噪聲

本系統(tǒng)晶體振蕩器的相位噪聲指標(biāo)為-155 dBc/Hz@1 kHz，工作電壓+12 V，穩(wěn)定后實際功耗最大不超過1.8 W，預(yù)熱時間僅為30 s。偏離載頻1 kHz處相位噪聲≤-155 dBc/Hz；偏離載頻10 kHz處相位噪聲≤-168 dBc/Hz；偏離載頻100 kHz處相位噪聲≤-170 dBc/Hz。

經(jīng)過軟件仿真，采用Hittite環(huán)路芯片HMC704，鑒相頻率80 MHz,最終實現(xiàn)指標(biāo)為：第一本振信號的相位噪聲偏離載頻1 kHz處相位噪聲為-96.2 dBc/Hz；偏離載頻10 kHz處相位噪聲為-100.5 dBc/Hz，鑒相泄露為-73 dBc。

發(fā)射激勵信號是由DDS輸出信號與一本振信號混頻產(chǎn)生的，通過分析與計算，發(fā)射激勵信號的相位噪聲主要由一本振信號的相位噪聲決定，考慮到電路的附加噪聲，發(fā)射激勵信號的相位噪聲能夠達(dá)到偏離載頻1 kHz處相位噪聲為-95.3 dBc/Hz。

3.2 雜散

在本頻率合成器中，雜散的主要來源分為以下幾個方面：

1)微波本振信號中鎖相環(huán)鑒相頻率以及鑒相頻率的各次諧波所產(chǎn)生的雜散。在本方案中選擇鎖相環(huán)實現(xiàn)微波頻標(biāo)，在±1000 MHz內(nèi)雜散可以做到-70 dBc以下。

2)合成過程中各階交互調(diào)產(chǎn)物所引起的雜散。這類雜散在設(shè)計中，一是通過合理選擇混頻比以使得落入帶內(nèi)的各階交互調(diào)分量最少，盡量保證沒有8階以下的交互調(diào)分量落入帶內(nèi)，帶外的交互調(diào)分量通過合理選擇濾波器予以有效濾除；二是可以通過合理選擇信號的功率電平以使得交互調(diào)分量最小。

在本設(shè)計中濾波器帶寬內(nèi)沒有9階以下的交互調(diào)分量，帶外交互調(diào)分量，通過濾波器的帶外抑制作用并合理設(shè)置放大器的工作狀態(tài)，可以將本振支路和發(fā)射支路信號的雜散抑制在-70 dBc以下。

3.3 跳頻時間

用“乒乓”式跳頻控制，提前預(yù)置目標(biāo)頻點，頻點的切換時間主要取決于電子開關(guān)的切換速度，從而可以保證頻率切換時間達(dá)到100 ns之內(nèi)。

3.4 噪聲系數(shù)

接收機(jī)工作在T/R組件之后， T/R組件的噪聲系數(shù)小于4 dB，增益大于25 dB。為了降低接收通道的噪聲系數(shù)，環(huán)行器的選擇著重低損耗，放大器的選擇著重低噪聲以及高增益(增益的選擇要在滿足系統(tǒng)的動態(tài)范圍的條件下)。立足目前國內(nèi)水平，Ku波段關(guān)鍵部件的指標(biāo)大致為：同軸環(huán)行器的插損為IL=0.3 dB；濾波器的插損為IL=2.6 dB；低噪聲放大器向后的總噪聲系數(shù)大致為18 dB。合計總噪聲系數(shù)約為4.6 dB。由于T/R組件的增益足夠高，所以后級接收通道對接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響比較小，相對于組件噪聲系數(shù)惡化大約為0.6 dB。

3.5 接收靈敏度

依照系統(tǒng)噪聲系數(shù)4.0 dB(包含TR組件以及接收通道的總噪聲系數(shù))，推算得到該微波模塊的噪聲系數(shù)為4.6 dB，核算中頻帶寬為30 MHz收發(fā)通道的靈敏度為

min=-114+10lg30+4.6=-94.6 dBmW

3.6 動態(tài)范圍

線性最大輸出為不小于4 dBmW(即電壓峰值1 V，50 Ω),系統(tǒng)總增益79 dB。

線性最大輸入功率為-69 dBmW，系統(tǒng)接收線性動態(tài)為25.6 dB。

3.7 噪聲電平

系統(tǒng)增益計算噪聲為-15.6 dBmW。輸出噪聲功率=-15.6 dBmW。

4 硬件實現(xiàn)與指標(biāo)測試

4.1 小型化與低功耗的實現(xiàn)

本系統(tǒng)對體積、重量和功耗要求非常嚴(yán)格，采用以往的設(shè)計方法無法實現(xiàn)本系統(tǒng)對小型化和低功耗的技術(shù)要求。因此，采取了以下技術(shù)手段，有效地減小體積和重量，降低系統(tǒng)功耗。

首先，電路設(shè)計過程中打破分系統(tǒng)界限，整體考慮，合并分機(jī)之間功能相近的單元電路。頻綜和接收機(jī)同時在一個安裝件上設(shè)計實現(xiàn)，共用一個安裝件，可以縮短或省去頻綜和接收機(jī)之間的電纜連接，從而非常有效地減小體積，將其控制在164 mm×100 mm×29 mm的體積內(nèi)。

其次，在本系統(tǒng)的設(shè)計中根據(jù)不同頻段和功能劃分不同區(qū)域，L波段以下信號的產(chǎn)生電路、數(shù)字通信接口電路、時序產(chǎn)生電路和波形產(chǎn)生電路將采用開放式設(shè)計實現(xiàn)，不再使用金屬殼體屏蔽。只將Ku波段信號產(chǎn)生電路和易受干擾的接收機(jī)部分電路屏蔽起來，大大降低系統(tǒng)的重量。另外，在保證系統(tǒng)安裝強(qiáng)度和電磁兼容性的前提下，根據(jù)以往的工程設(shè)計經(jīng)驗，盡量減小金屬屏蔽墻體厚度，不用的金屬部分掏空，通過合理的設(shè)計縮短信號端口之間的連接電纜。最終，將其質(zhì)量控制為580 g。

最后，在滿足系統(tǒng)需要的前提下，合理選取低電壓低功耗電子元器件。減少電路級聯(lián)的功率冗余，降低功耗。在電路設(shè)計過程中統(tǒng)一設(shè)計，盡量合并功能相近的單元電路，比如在本系統(tǒng)設(shè)計中把頻綜和接收機(jī)的控制電路合二為一，同時該部分電路完成DDS控制和外部通信的功能，從而大大降低功耗。統(tǒng)計每個有源電路的實際功耗，微波單元最終正常工作時的功耗為16.85 W。

4.2 多路射頻信號隔離的實現(xiàn)

由于本系統(tǒng)對體積要求較高，在本頻率合成器中輸出的Ku波段信號較多，且均為同時工作，所以電路設(shè)計在保證電路盡量精簡的同時還要保證各通道間的隔離。設(shè)計中對微波頻標(biāo)信號采用功分、放大、衰減電路形式；混頻器本振、射頻端設(shè)置隔離器；本振信號輸出采用功分、放大、衰減電路形式來增加信號的隔離度，保證最終輸出信號各通道間信號有效隔離。

最終，其實物圖如圖4所示。

圖4 微波模塊部分電路實物圖

4.3 測試結(jié)果

對微波模塊的主要性能指標(biāo)進(jìn)行測試的結(jié)果如下，部分測試結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示：

1)發(fā)射激勵頻率：Ku波段，帶寬：2 GHz；

2)相位噪聲：低于-95 dBc/Hz@1 kHz;

3)輸出雜散：低于-70 dBc；

4)跳頻時間：小于100 ns；

5)接收增益：35±3 dB(-40～60℃)；

6)兩通道相位誤差：小于5°。

圖5 相位噪聲測試

圖6 雜散抑制測試(2 GHz帶寬)

圖7 復(fù)雜波形測試

5 結(jié)束語

本文介紹了一種Ku波段小型化多通道微波模塊的設(shè)計方案，該設(shè)計對頻率綜合器與接收機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計，并選取了低功耗低電壓器件，實現(xiàn)了微波模塊的小型化和低功耗化。測試結(jié)果表明，該源在偏離載頻1 kHz處，相位噪聲低于-95 dBc/Hz，頻率捷變時間少于100 ns，雜散抑制優(yōu)于-70 dBc。達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，具有較高的應(yīng)用價值。