一種雙波段收發(fā)源射頻組件的設(shè)計

摘? 要：設(shè)計了一款Ku/Ka雙波段收發(fā)源射頻組件，內(nèi)部集成了發(fā)射單元、相參體制頻率源以及多通道接收單元。通過優(yōu)化電路設(shè)計，在具備小體積、高集成度的同時，滿足相關(guān)指標要求。電路測試及熱仿真結(jié)果表明，組件在工作頻帶內(nèi)滿足發(fā)射相位噪聲、雜波抑制度、線性增益、接收噪聲系數(shù)等指標要求，同時具備良好的熱設(shè)計，保證其在極端環(huán)境下的可靠性。

關(guān)鍵詞：Ku波段；Ka波段；收發(fā)組件；相參體制頻率源

中圖分類號：TN015? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2023）13-0067-04

Design of a Dual-Band Receiving and Transmitting Source RF Module

LIN Peng

（The 13th Research Institute of CETC， Shijiazhuang? 050051， China）

Abstract： A Ku/Ka dual-band receiving and transmitting （T/R） RF module is designed， which is integrated with a transmitting unit， a coherent frequency source and a multi-channel receiving unit. By optimizing the circuit design， it can meet the requirements of related indicators while having small volume and high level of integration. The results of circuit test and thermal simulation show that the module meets the requirements of transmitting phase noise， clutter suppression， linear gain， receiving noise coefficient and other indicators in the working frequency band. At the same time， it has good thermal design to ensure the reliability in extreme environment.

Keywords： Ku band; Ka band; T/R module; coherent frequency source

0? 引? 言

由于對電子系統(tǒng)的集成度要求越來越高，需要往小型化方向發(fā)展[1]。在諸多技術(shù)指標當中，作用距離和探測精度起決定作用[2]。探測精度方面，為提升抗時頻域干擾能力，采用多頻段/雙頻段電子系統(tǒng)，可實現(xiàn)雙波段信息融合、寬帶頻率捷變、自適應(yīng)變頻等靈活的時頻域信號處理。作用距離方面，選擇較高的工作頻段，可以完成對距離和位置等的精確測量，提高角精度和角分辨率[3]。目前Ku/Ka雙頻段系統(tǒng)設(shè)計主要集中在天線、微波網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)鍵芯片、器件的研究，對高集成度、小型化及優(yōu)良性能的雙波段收發(fā)組件研究較少[4-7]。

為了滿足雷達系統(tǒng)輕量化、小型化設(shè)計需求，同時具備優(yōu)異的探測精度和作用距離，設(shè)計了一款Ku和Ka雙波段收發(fā)源射頻組件，將兩個波段的發(fā)射通道和多路接收通道集成在一個組件中，內(nèi)部集成高性能頻率綜合器。這種雙波段高性能收發(fā)源射頻組件對電路器件的性能參數(shù)、電磁兼容性能，熱設(shè)計都有很高要求。

1? 基本組成

收發(fā)源由Ku波段和Ka波段組成，共用抗振恒溫晶振，每個波段的收發(fā)源主要包括發(fā)射單元和接收單元，其中發(fā)射單元內(nèi)部集成了頻綜模塊和發(fā)射模塊。頻綜模塊接收信號處理機送給的兩路DDS信號，經(jīng)多級上變頻后輸出的射頻信號包括：發(fā)射激勵、通道自檢、陣列自檢、設(shè)備基準、本振監(jiān)測信號。Ku波段和Ka波段接收模塊實現(xiàn)對多路輸入射頻信號的二次變頻、濾波、放大，然后輸出中頻信號供給信號處理機做后續(xù)的信號處理。收發(fā)源組件在初始上電狀態(tài)下，發(fā)射通道和接收通道不上電，具備時鐘正常輸出和通信正常功能，在收到處理機上電控制指令后，再給發(fā)射通道和接收通道上電。收發(fā)源組件射頻組件在信號處理機控制下具有低功耗功能，低功耗休眠狀態(tài)下保持與處理機通信正常，以及時鐘信號正常輸出功能。

2? 電路設(shè)計

組件按功能單元進行劃分，分為接收通道單元、Ku發(fā)射單元（含電源和控制）和Ka發(fā)射單元，三部分互相獨立，采用垂直互聯(lián)方式。各功能單元采用模塊化整板設(shè)計，利用3D-SIP架構(gòu)實現(xiàn)產(chǎn)品的高度集成和抗干擾。

2.1? 發(fā)射單元

發(fā)射單元功能框圖如圖1所示。發(fā)射單元包括頻綜和發(fā)射兩部分，其中頻綜單元用于產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的具有高頻譜純度、高穩(wěn)定度的時鐘信號、采樣時鐘信號、DDS參考時鐘信號、本振信號。頻綜單元采用相參體制頻率源設(shè)計，即電子系統(tǒng)的射頻信號、本振信號、時鐘信號和參考信號等均由同一基準源提供，且這些信號之間均保持確定的相位關(guān)系。本文設(shè)計的相參體制頻綜，主要用于產(chǎn)生Ku+Ka雙波段發(fā)射、接收一本振（LO1）、二本振（LO2）、本振監(jiān)測信號，以及100 MHz時鐘信號。頻綜作為相參系統(tǒng)的核心部件，對其相位噪聲、雜波抑制度具有較高的要求。

2.1.1? 相位噪聲

相位噪聲是射頻組件在各種噪聲作用下引起系統(tǒng)輸出信號相位的隨機變化，它是衡量頻率標準源頻穩(wěn)質(zhì)量的重要指標。它影響系統(tǒng)中信號處理檢測精度，從而影響探測目標的精度[8，9]。本文設(shè)計的雙波段收發(fā)頻率源，其發(fā)射鏈路采用二次混頻方案，DDS射頻信號與LO2上變頻至C波段，LO1經(jīng)2倍頻至Ka波段，與C波段中頻信號混頻產(chǎn)生Ka波段所需信號，因此，混頻輸出的相位噪聲譜密度為射頻信號和本振信號相位噪聲譜密度之和，即：

SIF （ f ） = SRF （ f ）? + SLO （ f ）

式中，SIF （ f ） 、SRF （ f ） 、SLO （ f ） 分別為中頻信號、射頻信號和本振信號相位噪聲。當SRF （ f ） 與SLO （ f ） 相當時，SIF （ f ） 比之前惡化一倍，而當SRF （ f ） >>SLO （ f ） 或SRF （ f ） <

頻綜本振鏈路設(shè)計原理圖如圖2所示，本振信號由直接合成跳頻源產(chǎn)生，為了獲得相位噪聲較低的輸出信號，首先，采用直接合成加乒乓環(huán)的方式，在倍頻鏈路級前連接梳狀譜發(fā)生器，內(nèi)部利用乒乓跳頻源（最小跳頻間隔10 MHz）和梳譜跳頻源，并通過預(yù)選功分和開關(guān)濾波實現(xiàn)頻率選擇切換，來降低LO1和LO2的相位噪聲；其次，選用100 MHz高穩(wěn)定晶體振蕩器，該晶振內(nèi)部采取機械減振方式實現(xiàn)抗振，并通過功率管對晶體進行加熱實現(xiàn)恒溫，晶振內(nèi)部晶體通過諧振、放大、濾波后輸出正弦波。該晶振具有頻率高、相噪低、高可靠的特點，其主要性能參數(shù)指標如表1所示。通過以上設(shè)計，發(fā)射單元二次混頻后的相位噪聲低于-103 dBc/Hz@1～600 kHz，滿足指標要求。

2.1.2? 雜波抑制

發(fā)射雜散主要包括電源雜散及無用射頻分量雜散，本文重點介紹后者。收發(fā)源組件采用二次混頻方式，其本振信號是基于梳狀譜發(fā)生器構(gòu)建的直接合成跳頻源產(chǎn)生的，因此無用頻率分量包含本振雜散和發(fā)射混頻雜散兩部分。

對于本振雜散，一方面選取性能優(yōu)異的抗振恒溫晶振，確保晶振在全頻帶范圍內(nèi)無雜散分量；另一方面，X頻段倍頻模塊是將S波段開關(guān)濾波模塊輸出的信號4倍頻，倍頻后前級模塊的雜散分量幅度將惡化12 dB，為此在進入4倍頻器前增加一級Fbar開關(guān)濾波器，進一步提高雜散抑制度；最后，選取八選一開關(guān)濾波器開關(guān)和窄帶Fbar濾波器，來減少開關(guān)濾波模塊雜散。

發(fā)射混頻雜散，包括C波段上變頻模塊雜散和Ka波段上變頻模塊雜散兩部分。對于C波段上變頻模塊雜散，一方面選用低通濾波器對混頻后的遠端無用信號進行抑制，其對遠端大于10 GHz的信號抑制大于50 dB，再加上混頻器本身的抑制，遠端抑制可達70 dB；另一方面選取Fbar濾波器濾除近端本振泄露、組合雜散（LO-2IF、LO+IF、LO+2IF等）以及低端中頻泄露等雜散信號；對于Ka波段上變頻模塊雜散，通過在倍頻器后級聯(lián)帶通濾波器對基波以及3次諧波進行抑制，并在后級級聯(lián)兩級MEMS濾波器構(gòu)成的開關(guān)濾波器進行分段濾波，濾波器對本振的抑制大于40 dB，兩級級聯(lián)后大于80 dB。綜上所述，發(fā)射雜散設(shè)計值大于70 dB。

2.2? 接收單元

接收單元的主要功能是將從天線傳輸?shù)母哳l信號經(jīng)限幅、濾波、射頻衰減、兩級下變頻、中頻衰減、濾波、放大等得到中頻信號，供給信號處理機使用。圖3為接收單元的功能框圖，包含兩個Ka波段雙路接收模塊、三個C波段下變頻模塊、三個中頻放大模塊以及三個中頻濾波器等，采用兩次變頻方案，各通道共用本振信號，將三路帶寬±2 200 MHz的Ka波段信號下變頻至中頻輸出。

2.2.1? 線性增益與噪聲系數(shù)

通過有效分配雙路接收模塊和中頻放大模塊增益，再加上中頻輸出濾波器以及衰減器損耗，接收單元線性增益為33±2 dB，噪聲系數(shù)為6.8 dB。

2.2.2? 幅相不一致性

多通道雷達通道間的幅相不一致性影響著陣列信號處理的性能[10]。幅相不一致性是多通道接收單元的一項重要指標，其好壞影響探測精度。本文設(shè)計的收發(fā)源組件接收單元幅相不一致性包含以下三個方面：

1）常溫下接收通道的幅度不一致性。

2）三溫條件下相位不一致性變化。

3）三溫條件下幅度不一致性變化。

為了保證接收通道間的常溫下的幅度一致性以及三溫下通道間相位幅度變化一致性，本文從完善電路設(shè)計來保證，具體如下：

1）合理分配通道增益，使各器件工作在線性區(qū)。一方面，由于輸出端中頻放大模塊增益較高，因此模塊中選用輸出P1dB較高的放大器確保線性工作；另一方面，合理分配各通道增益，保證接收端輸入信號幅度為-27 dBm，使鏈路中各放大器均工作在線性區(qū)，以此來保證接收通道間的幅度一致性。

2）優(yōu)選元器件，選用一致性和重復(fù)性較好的元器件。

3）保證各通道間電路結(jié)構(gòu)設(shè)計完全一致。

4）簡化電路設(shè)計：本項目采用模塊化設(shè)計，微波功能電路采用金屬陶瓷管殼封裝成器件，極大的簡化電路設(shè)計。

根據(jù)多批次類似多通道產(chǎn)品的調(diào)測試經(jīng)驗，通道間幅度一致性可達到3 dB以內(nèi)，通道間幅度變化一致性可達到2 dB以內(nèi)，通道間相位變化一致性可達到20°以內(nèi)。

3? 熱設(shè)計及仿真

組件內(nèi)功率器件的散熱對系統(tǒng)的性能和可靠性有重要影響，本文設(shè)計的雙波段收發(fā)源射頻組件功耗較大，內(nèi)含多個功率器件，需對其進行熱設(shè)計。通過合理的裝配和布局，可以使發(fā)熱期間均勻散熱，并有效控制熱源附件的溫度急劇上升，提高了組件在極端環(huán)境下的可靠性。

使用ANSYSIcepak軟件對組件進行散熱模擬。通過軟件ANSYS Workbench建立熱設(shè)計模型，包括組件的盒體、印刷板以及功耗在0.3 W和0.3 W以上的元器件。

分兩種工況進行模擬：

工況1：環(huán)境溫度25 ℃，瞬態(tài)仿真1小時，Minx面風速1 m/s。

工況2：環(huán)境溫度85 ℃，瞬態(tài)仿真15分鐘，盒體底面為安裝面恒溫85 ℃。

圖4為兩種工況下功率器件的發(fā)熱溫度分布，其中工況1最高器件溫度約為88.6 ℃，工況2最高器件溫度約為108.6 ℃。通過熱仿真分析證明此組件的熱設(shè)計合理可行，完全滿足使用要求。

4? 結(jié)? 論

根據(jù)系統(tǒng)輕量化、小型化設(shè)計需求，本文設(shè)計了一款集成了Ka/Ku雙波段收發(fā)源射頻組件，內(nèi)部集成了相參體制頻綜模塊。通過優(yōu)化電路設(shè)計，實現(xiàn)了發(fā)射單元低相噪和雜散抑制度的要求，接收通道幅相一致性較好，熱仿真模擬證明了其良好的散熱性能。產(chǎn)品總質(zhì)量小于1.5 kg，相比以往類似產(chǎn)品，在體積相當?shù)那闆r下實現(xiàn)了功能的多樣化以及指標的進一步提升。主要指標測試結(jié)果為：Ka/Ku波段發(fā)射相位噪聲為-103 dBc/Hz@（10～600）kHz/-108 dBc/Hz@（10～600）kHz，雜波抑制度為67 dB；Ka/Ku波段接收單元線性增益為35±2 dB，噪聲系數(shù)為6.19/6.65 dB。

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作者簡介：林朋（1983—），男，漢族，河北石家莊人，高級工程師，碩士，研究方向：微波射頻組件。

收稿日期：2023-03-23