K 波段緊湊型收發(fā)前端組件的設計

王 毅

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

0 引言

盡管光纖通信具有非常大的數(shù)據(jù)容量，但光纖的架設成本往往較高，尤其是在偏僻山區(qū)和臨時場館[1]。微波無線通信在較多的場景可以取代光纖通信進行大容量傳輸，具有架設方便、價格低廉的優(yōu)勢。射頻收發(fā)前端作為微波無線通信系統(tǒng)的核心部件，隨著系統(tǒng)的不斷演進[2-3]，向著小型化、輕量化、低功耗、多功能、高可靠性和低成本等方向發(fā)展[4-7]。

近年來，有一些研究嘗試采用二次變頻超外差體制結合LTCC 或硅基三維集成技術來實現(xiàn)小型化設計[8-9]，但是存在成本和工藝的問題。本文綜合考慮性能、工藝、成本等因素，采用微波多層板實現(xiàn)了一種緊湊型、低成本超薄平板K 波段收發(fā)前端。所有器件選用SMT 封裝的表面貼裝芯片，微波板選用廉價的羅杰斯硬基片。該收發(fā)前端采用頻分復用（FDD）全雙工的工作方式，最終要實現(xiàn)的指標為：接收通道噪聲系數(shù)優(yōu)于6 dB，能夠接收-60 dBm～-20 dBm 的射頻信號；發(fā)射通道能夠輸出平均功率為20 dBm 的射頻信號。

1 收發(fā)前端架構設計

K 波段收發(fā)前端根據(jù)功能可劃分為3 個部分：接收通道、發(fā)射通道和本振源。收發(fā)前端組件的左側為接收通道電路，右側則為發(fā)射通道電路。4 個本振源位于正中，被收發(fā)通道所環(huán)繞，簡化了本振信號的走線設計。

1.1 接收通道

接收通道采用了二次變頻超外差架構，組成框圖如圖1 所示。

圖1 接收通道組成框圖

為了抑制鏡像頻率，常采用鏡像抑制濾波器或者鏡像抑制下變頻器。本文通過構造Hartley 架構的變頻器來進行鏡像抑制[10]，輸入端省掉了一級鏡像抑制濾波器，有效降低了接收機噪聲系數(shù)。選用的IQ 下變頻器為HMC904LC5，將K 波段射頻輸入信號下變頻至2.9 GHz。HMC904LC5 內(nèi)部集成了一級低噪放和二倍頻器，其噪聲系數(shù)小于3 dB，變頻增益大于12 dB。通過90°電橋，USB 或LSB 的單邊帶信號被選中，另外一種會得到抑制。第一中頻鏈路上放置了一級壓控衰減器(VVA)，可根據(jù)輸入信號大小進行適應性調(diào)整。第二中頻輸出端采用可變增益放大器(VGA)、耦合器、檢波器構造了數(shù)字自動增益控制電路(AGC)，可使中頻輸出功率保持恒定。

1.2 發(fā)射通道

與接收通道類似，發(fā)射通道采用了二次上變頻發(fā)射架構，相比直接變頻架構，能更容易濾除無用信號和雜散，也利于增益的分配。發(fā)射通道組成框圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射通道組成框圖

4 路I/Q 基帶信號經(jīng)過正交調(diào)制器后變頻至3.4 GHz的中頻信號，經(jīng)過濾波放大后進行第二次上變頻。在中頻鏈路和射頻鏈路上各放置了一級壓控衰減器，通過調(diào)節(jié)衰減值，使射頻信號獲得較合適的輸出功率電平和較好的信號質(zhì)量。中頻鏈路上的檢波器將檢波電壓反饋至基帶處理設備，可以實現(xiàn)I/Q 校準并抑制本振泄露。

1.3 本振源

4 個本振源均采用基本鎖相環(huán)（PLL）進行設計，按照頻率大小劃分為2 類：S 頻段本振和X 頻段本振。每一類中2 個本振均采用相同的架構和電路設計，僅僅在鎖相芯片的寄存器配置上有所差別。

2 電路設計及性能分析

2.1 關鍵無源電路設計

K 波段射頻信號對外接口為WR-42 矩形波導，需要設計微帶到波導的過渡電路。常見的過渡方式主要包括3 種，分別為波導-脊波導過渡、波導-鰭線過渡、波導-微帶探針過渡。本文選擇了具有結構簡單、過渡性好、插入損耗小、頻帶寬特性的E 面探針過渡結構，其設計模型及實測結果如圖3 所示。根據(jù)測試結果可知，在工作頻帶內(nèi)，插入損耗小于1.6 dB，回波損耗大于15 dB，滿足組件使用要求。

圖3 微帶-波導過渡設計模型及實測結果

發(fā)射通道為抑制第二次變頻后的交調(diào)和本振泄露信號，在變頻器后需要放置一級帶通濾波器。采用七階平行耦合線濾波器進行設計，其設計模型和實測結果如圖4 所示。根據(jù)測試結果可知，1 dB 帶寬約為2.4 GHz，回波損耗大于10 dB，帶外抑制大于35 dB@20.2 GHz，滿足組件使用要求。

圖4 平行耦合線濾波器設計模型及測試結果

2.2 關鍵有源電路設計

2.2.1 K 波段放大模塊

K 波段放大模塊位于發(fā)射通道第二次變頻之后，主要由壓控衰減器、驅(qū)動放大器、功率放大器和檢波器組成，組成框圖如圖5 所示。

圖5 K 波段放大模塊組成框圖

混頻之后的射頻信號經(jīng)過第一級放大器達到中等信號電平，然后經(jīng)過驅(qū)動放大器，最后被送至末級功放。前兩級放大器之間增加一級壓控衰減器，一是可以防止三級放大器直接級聯(lián)發(fā)生自激，二是可以調(diào)節(jié)發(fā)射輸出功率。檢波器采集的電壓信號送至基帶處理模塊，可實時監(jiān)測輸出信號功率電平，適時調(diào)整壓控衰減器，使發(fā)射通道穩(wěn)定工作。

2.2.2 中頻AGC 模塊

由于接收通道接收的信號是變化的，而最后要求中頻信號輸出恒定為-10 dBm，因此需要設計一個AGC 電路來實現(xiàn)這個功能。設計了一種數(shù)字AGC 電路模塊，主要由VVA 或VGA、檢波器、反饋環(huán)路等組成，具體組成框圖如圖6 所示。工作原理為將被檢測信號的功率與預定值功率進行比較產(chǎn)生誤差電壓，通過負反饋，利用該誤差信號控制可變壓控衰減器或可變增益放大器的增益，最終使被檢測信號輸出功率與預定值相等。

圖6 中頻AGC 模塊組成框圖

2.3 關鍵指標分析

2.3.1 接收噪聲系數(shù)

由噪聲系數(shù)級聯(lián)公式可知，鏈路前幾級器件的噪聲特性決定了總的噪聲系數(shù)。射頻輸入端除了必不可少的波導-微帶過渡，第一級器件為集成了低噪放的IQ 下變頻器，從而保證了接收鏈路具有較小的噪聲系數(shù)。接收鏈路噪聲系數(shù)級聯(lián)仿真結果如圖7 所示，由圖可知，接收通道的噪聲系數(shù)不大于4.7 dB，滿足組件使用要求。

圖7 接收通道仿真結果

2.3.2 接收輸入功率

由圖7 仿真結果可知，接收通道線性增益為52 dB，當輸入信號為-60 dBm 時，輸出功率為-8 dBm，接收通道工作于線性狀態(tài)。當輸入信號為-20 dBm 的大信號時，最容易飽和的為中頻鏈路上的末級放大器。末級為中頻AGC 模塊，增益范圍為-2.5 dB～42.5 dB，輸出1 dB壓縮點為8.4 dBm，經(jīng)過推算到AGC 模塊輸入端的信號功率為-5 dBm，符合AGC 模塊輸入功率要求。

2.3.3 發(fā)射輸出功率

發(fā)射鏈路級聯(lián)增益仿真結果如圖8 所示，線性增益為35 dB。當輸入I/Q 信號平均功率為-12 dBm 時，推算出末級功放的輸出功率為23 dBm，滿足指標規(guī)定不小于20 dBm 的要求。

圖8 發(fā)射通道仿真結果

2.4 電路結構設計

該收發(fā)前端組件需要在有限的面積內(nèi)集成1 路接收通道、1 路發(fā)射通道、100 MHz 晶振、2 個S 本振源、2 個X本振源、電源及控制電路等。布局設計時，晶振及4 個本振模塊處于電路的中間，接收通道和發(fā)射通道信號調(diào)理電路環(huán)繞本振模塊進行放置。接收射頻輸入和發(fā)射射頻輸出位于頂部中間位置，接收中頻輸出和發(fā)射基帶信號輸入位于底部中間位置，接收和發(fā)射的電源控制部分采用插針引出，分別位于組件底部兩端位置。

電路中不同信號的輻射隔離主要通過在蓋板中挖腔實現(xiàn)。蓋板上的金屬條直接壓緊在微波基片的地上，能有效防止信號間的串擾和對外輻射。

3 實驗結果與討論

組裝完成后的實物如圖9 所示，組件尺寸為230 mm×100 mm×8.5 mm（微帶-波導-同軸轉換僅供測試用，實際使用時射頻口直接與波導集成）。

圖9 收發(fā)前端組件實物照片

本振源的相位噪聲直接影響收發(fā)前端的性能，S 頻段本振相噪測試結果為-102.22 dBc/Hz@10 kHz，X 頻段本振相噪測試結果為-98.56 dBc/Hz@10 kHz，具體測試結果如圖10 和圖11 所示，滿足使用要求。

圖10 S 頻段本振相噪測試結果

圖11 X 頻段本振相噪測試結果

發(fā)射通道射頻輸出信號頻譜測試結果如圖12 所示，輸出信號信噪比大于53 dB，輸出功率大于20 dBm（波同轉換和測試線纜損耗為4.5 dB）。發(fā)射通道輸出1 dB 壓縮點大于25 dBm，在整個工作帶寬內(nèi)增益大于35 dB。輸出功率電平最大調(diào)節(jié)范圍為45 dB，調(diào)節(jié)步進為1 dB。

圖12 發(fā)射通道射頻輸出信號測試結果

接收通道可接收信號范圍為-60 dBm～-20 dBm，輸出中頻信號功率恒定為-9.4 dBm。當輸入信號功率為-60 dBm 時，輸出中頻信號信噪比大于37.1 dB，測試結果如圖13 所示。

圖13 接收通道中頻輸出測試結果

接收通道噪聲系數(shù)測試結果如圖14 所示，測試結果為9.8 dB（包含波同轉換和測試線纜損耗為4.5 dB），實際噪聲系數(shù)為5.3 dB，滿足使用要求。

圖14 接收通道噪聲系數(shù)測試結果

本文采用表面貼裝芯片加微波多層板的實現(xiàn)方式，基于二次變頻超外差結構，實現(xiàn)了一款K 波段緊湊型超薄平板FDD 收發(fā)前端組件，并給出了測試結果，與其余相似產(chǎn)品的對比如表1 所示。該小型化收發(fā)前端組件與已發(fā)表的同類型組件相比，內(nèi)部除了集成收發(fā)通道，還包含變頻所需的4 個本振源。

表1 相似產(chǎn)品對比

4 結論

本文討論了一種緊湊型、低成本超薄平板K 波段收發(fā)前端的實現(xiàn)方式，在實現(xiàn)復雜功能的同時兼顧了經(jīng)濟性和裝配容易性。該組件適用于點對點微波無線通信，具有性價比高、使用靈活的優(yōu)勢，也可拓展應用于其他使用場景，對實際工程應用具有一定的借鑒意義。

該收發(fā)前端主要采用了表面貼裝芯片加微波多層板的實現(xiàn)方式，技術和工藝較成熟，下一步工作為基于LTCC 和MMIC 技術進一步提高集成度，滿足更多場景的需求。