張 婧

(貴州師范大學機械與電氣工程學院，貴州貴陽550002)

數據鏈的產生和發(fā)展始終伴隨著武器裝備的革新和通信指揮系統(tǒng)的發(fā)展。以數據鏈系統(tǒng)為支柱，融合其他通信手段，實現(xiàn)多數據鏈、多通信系統(tǒng)的互連、互通、互操作，連通分布于天基、空基、陸基和水下多維空間的眾多作戰(zhàn)平臺，將戰(zhàn)場感知系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、火力打擊系統(tǒng)和支援保障系統(tǒng)等作戰(zhàn)要素緊密聯(lián)為一體，實現(xiàn)從固定通信到移動鏈接以及從時間協(xié)同到空間融合的有機統(tǒng)一，從而實現(xiàn)全球信息柵格的信息共享，將是未來信息化戰(zhàn)爭的趨勢［1］。數據鏈系統(tǒng)組成如圖 1［2］所示。

圖1 數據鏈系統(tǒng)示意圖

無論偵查系統(tǒng)、控制系統(tǒng)還是武器系統(tǒng)，大多都通過無線電信道完成數據鏈的基本通信功能。因此，微波收發(fā)組件就成為數據鏈無線電信道中不可或缺的重要組成部分之一。隨著數據鏈系統(tǒng)中無線電的發(fā)展及現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需求，要求設備小型化和一體化，這給微波組件的設計研究帶來了新的挑戰(zhàn)。

1 微波一體化收發(fā)組件的功能

1.1 數據鏈收發(fā)組件的基本功能

數據鏈微波收發(fā)組件的主要功能是將無線電鏈路中接收到的射頻載波信號下變頻到中頻電路進行處理，同時將發(fā)射的中頻信號上變頻到射頻載波信號再通過天線發(fā)射出去［3］。更為復雜的微波組件可以具備延伸功能，如在低頻部分延伸到A/D、D/A轉換以及調制解調電路，在射頻部分延伸到天線的設計。

1.2 數據鏈收發(fā)組件的功能結構

完成如圖1中所述的功能，數據鏈收發(fā)組件應由如圖2所示幾個功能單元組成。一體化收發(fā)組件的最重要功能是將以上功能單元集成設計到一個組件中去，通過有限外部接口，形成一個獨立的組件。

圖2 數據鏈組件的功能結構

2 微波一體化收發(fā)組件的功能單元

2.1 接收前端

接收前端的主要功能是高質量地接收射頻信號，其中主要有兩方面的關鍵技術:(1)射頻低噪聲放大器;(2)前端保護電路。

2.1.1前端低噪聲放大器

前端低噪聲放大器直接關系到整個接收機的靈敏度，接收機的靈敏度從某種意義上決定了整個系統(tǒng)的作用距離等系統(tǒng)指標［4］。數據鏈接收機的帶寬一般較寬，以滿足整個系統(tǒng)的頻帶需求，最終滿足抗干擾的要求。所以要求低噪聲放大器的帶寬一般在百兆以上。這就需要設計一種滿足整個系統(tǒng)頻帶需求的寬帶放大器。寬帶的要求必然和低噪聲系數的基本要求產生矛盾，所以在設計時需兼顧兩者指標。

目前低噪聲放大器仍以砷化鎵器件的低噪聲放大器為主，依頻段不同，噪聲系數從0.8到3左右。圖3為某數據鏈系統(tǒng)中前端低噪聲放大器的頻響曲線和噪聲曲線。

2.1.2保護電路

(1)低插損無源限幅器

在接收前端設置低插損無源限幅器可以滿足大功率的限幅要求，在復雜電磁環(huán)境下保證接收機不受大功率干擾信號的影響或損壞。其基本原理是利用PIN二極管對大信號的限幅作用，在一定功率范圍內保證通過二極管后的功率被限制在一定電平之內，充分保護后級低噪聲放大器不受損。

圖3 低噪聲放大器的頻響及噪聲曲線

(2)高功率開關

為了滿足更高功率的抗大功率要求，須在前端設置大功率開關，大功率開關同樣是基于PIN二極管設計的。其區(qū)別在于限幅器為無源器件，利用二極管本身對功率信號進行抑制，而大功率開關則需要外加偏置來關閉更高功率信號。二極管的外加偏置信號一般以驅動電路的形式設計，驅動電路的時間特性應滿足整機收發(fā)切換的時間要求。

2.2 下變頻通道及中頻電路

下變頻通道及中頻通道一般以滿足中頻增益要求為設計主旨。其關鍵技術在于AGC電路的設計，AGC電路應該滿足以下兩點:(1)滿足系統(tǒng)動態(tài)要求;(2)輸出信號穩(wěn)定。

2.2.1系統(tǒng)動態(tài)要求

由于在實際環(huán)境中，信號的作用距離(傳輸距離)往往不確定，則必然帶來了數據鏈系統(tǒng)終端盒的接收信號幅度的不確定。因此，接收機必然存在著一定的動態(tài)范圍的要求。目前國內外很多廠家如AD公司、HITTITE公司、中電13所、55所等廠家都有類似的AGC放大單片，可達到動態(tài)范圍40～60 dB甚至更高。

2.2.2輸出信號穩(wěn)定性設計

中頻信號的輸出幅度應該滿足后級數字處理單元如AD采樣單元的輸入要求，因此中頻信號的輸出穩(wěn)定性是AGC電路另一個設計重點，尤其是需滿足戰(zhàn)場環(huán)境中使用要求。如在不同溫度下，尤其是極限溫度下保證其輸出功率的穩(wěn)定，則需要加增益——溫度控制電路以滿足不同溫度時輸出功率的穩(wěn)定。溫度控制電路一般有兩種實現(xiàn)形式:一是用溫度傳感器來控制壓控或數控衰減器，最終控制整個中頻通道的衰減變化量，如圖4所示;二是通過熱敏電阻形成的電阻網絡對衰減量在不同溫度下的變化來反擬合(或稱補償)整個中頻通道的增益變化，目前所謂的溫補衰減器就是基于上述原理形成的集成器件。上述兩種溫度——增益控制電路是對AGC電路的一個有益的、重要的補充。

2.3 上變頻通道及功放

2.3.1功能

上變頻通道主要完成將中頻信號調制到更高的載波頻率上。上變頻通道除完成簡單的變頻功能以外，還應該在整個組件的整體設計中考慮在變頻通道上增加放大器，為后級發(fā)射通道的功放提供合適的信號。

圖4 溫度控制電路的實現(xiàn)形式

2.3.2功放的設計

組件功放的功能為將預發(fā)射載波信號進行功率放大后通過天線發(fā)射出去。

(1)功放高線性度的要求

組件是應用于以數據通信為目的數據鏈系統(tǒng)，所以對信號質量要求較高。通信系統(tǒng)中的數字調制體制如FSK、MSK、QPSK等對功放線性度的要求不盡相同，其中QPSK對功放線性度要求較高。提高功放線性度的途徑有很多種，但往往要根據整個組件的指標要求，復雜度要求來權衡使用。

(2)整機的功耗要求

設計組件中的功放設計和一個純功率放大器的設計有一些細微的差別，這些差別當中功耗要求是首先要考慮的。功放是整個組件中功耗最大的一個單元，所以功放的功耗代表了整個組件的絕大部分功耗。降低功耗的方法基本就是提高功放的效率，從射頻功放本身的設計上看，保證功率要求基本上取決于功放器件本身的性能。目前較為先進的器件是氮化鎵功率器件，但采用氮化鎵的方案對供電和射頻匹配提出了更高的要求。在電路設計上也可以采取預失真的方式，在滿足一定功率要求的情況下，提高線性度，從另一個角度等于降低了整個功放的功耗。另外一個重要途徑是在微波組件中采用DC—DC變化電路或稱電源模塊，提高為功放供電電源模塊的效率，實際上也是一個非常重要且行之有效的方法。

2.4 本振單元

本振單元是為收發(fā)變頻通道提供變頻所需的信號源，是整個組件技術難度較大的單元。

2.4.1基本指標的實現(xiàn)

目前數據鏈系統(tǒng)中，采用單一頻點通信的情況越來越少見，所以一般的方案采用鎖相環(huán)技術(PLL)，或直接數字合成(DDS)。要求頻率切換時間短的系統(tǒng)一般采用DDS實現(xiàn)，相位噪聲要求較高或雜散抑制要求較高的系統(tǒng)則采用傳統(tǒng)的鎖相方案。

2.4.2晶振對于組件指標決定性意義

在上述兩種方案中，本振單元的核心器件應該是晶振，晶振的指標對組件的性能有著決定性的意義:晶振的準確度影響通信的捕獲帶寬，晶振的相位噪聲直接影響接收機的靈敏度。

有關晶振的設計理念，設計方法有很多種，在此不再贅述有關晶振的內部的設計。而晶振的設計應首先關注上述兩個基本指標。更為關鍵的是在高低溫工作情況下，在振動工作情況下晶振指標的惡化。從晶振的實現(xiàn)形式上來看，恒溫晶振在高低溫下指標性能變化較小，而溫補晶振的體積很小可以采取較好減振措施。綜上，最佳的設計當然是選用恒溫晶振的同時，對做良好的減震設計［5］，如圖5所示。

圖5 晶振的減震設計

2.5 天線端口

在雙(多)天線的系統(tǒng)中，組件的設計需考慮到天線方向性因素和實際使用情況，合理布局。在端口電路上則需考慮使用隔離器以滿足和天線系統(tǒng)的良好匹配。

在單天線系統(tǒng)中，組件的設計需考慮到收端和發(fā)端公用一個端口，一般應用環(huán)形器或者單刀雙擲開關以連接收發(fā)兩個通道。同時還要考慮到天線完全開路時，發(fā)射末端對接收前端的影響。

3 一體化設計的思路

如何將各個單元組合成一個組件是此類組件的設計難點，一般的設計思路為:(1)確定外型結構和接口位置;(2)確定內部功能單元的布局;(3)考慮內部電磁兼容問題。

3.1 確定外型結構和接口位置

根據整個系統(tǒng)的要求確定外型結構，根據組件和其他分系統(tǒng)的功能分布確定各個接口位置，組件的安裝方式和固定位置。這些就形成了組件設計的基本限制條件，所有的后續(xù)設計都應該依據此條件進行組件的布局［6］。

3.2 內部功能單元的布局

內部功能單元的布局應以最易實現(xiàn)功能連接的設計原則進行布局:接收前端連接下變頻通道;上變頻通道連接功放;本振連接收發(fā)通道;接收前端發(fā)射末端連接天線端口。

3.3 內部電磁兼容問題

由于各個功能單元存在多種頻率分量及各種各樣的諧雜波，組合出來的頻率分量就更為豐富。那么內部電磁屏蔽腔的設計顯得尤為重要，各個頻率變化的通道和高增益放大的電路中最好使用電磁屏蔽腔配合微波接插件，以達到組件內部電磁兼容的要求。

4 結束語

本文對數據鏈系統(tǒng)中無線電信道一體化微波組件的設計進行了描述，各功能單元的電路實現(xiàn)形式應根據系統(tǒng)要求精心設計，并注重設計關鍵技術環(huán)節(jié)。一體化設計應嚴格按照一定嚴謹設計思路進行布局。這樣可以滿足數據鏈系統(tǒng)對組件小型化一體化的要求。最終實現(xiàn)良好系統(tǒng)功能。

［1］李富強，許銳.國外多種數據鏈綜合應用研究［J］.現(xiàn)代電子技術，2010(16):94－96.

［2］陳愛國，詹克軍.數據鏈互連技術分析與應用［J］.指揮控制與仿真，2010(4):119－121.

［3］王海濤，楊斐，雷國忠.一種C波段收發(fā)組件的研制［J］.火控雷達技術，2009(2):90 －92.

［4］蔡昱，任曉婕，王海波，等.Ku波段收發(fā)組件研制［J］.雷達與對抗，2005(4):50－53.

［5］楊銘.某機載雷達頻綜器中鎖相源和本振源的隔振系統(tǒng)研究［J］.中國機械工程，2006(5):35－37.

［6］汪邦金，汪軍，邵世東.高增益、大功率、一體化固態(tài)T/R 組件設計［J］.火控雷達技術，2009，3:59－63.