劉秉策，周鳳艷，莫 驪

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所 安徽 合肥 230088）

上世紀(jì)90年代初開始逐步在衛(wèi)星上運(yùn)用有源相控陣技術(shù)具有低損耗、可大角度動(dòng)態(tài)掃描的特點(diǎn)，利用陣列天線的空間分集效果可以在地球表面實(shí)現(xiàn)多波束覆蓋，通過(guò)波束之間頻率復(fù)用，能夠極大的提高了衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶容量[1]。通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)有源相控陣天線既可以在射頻上實(shí)現(xiàn)模擬波束形成，也可以通過(guò)數(shù)字的方式在基帶或中頻實(shí)現(xiàn)。最近利用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)波束形成受到了日益關(guān)注，DBF是“數(shù)字波束形成”的英文縮寫，其基本原理是將各天線陣列單元接收到的射頻回波信號(hào)，無(wú)失真地變頻成中頻信號(hào)，再變換成數(shù)字信號(hào)，然后在高速數(shù)字波束形成計(jì)算機(jī)中進(jìn)行加權(quán)和視頻數(shù)字全程處理，以形成所需的靈活、高質(zhì)量接收波束，具有掃描快速靈活，分辨率高，抗干擾和雜波性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[2]。

針對(duì)DBF體制接收機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，必須重點(diǎn)設(shè)計(jì)通道之間的幅相一致性和穩(wěn)定性，因?yàn)樗坏绊憯?shù)字波束形成的副瓣電平，還影響到波束指向精度。本文介紹了一種應(yīng)用于衛(wèi)星地面模擬系統(tǒng)射頻前端的DBF接收機(jī)設(shè)計(jì)。該接收機(jī)具有高增益、低噪聲系數(shù)、低群時(shí)延波動(dòng)、良好的幅相一致性和穩(wěn)定性能夠較好地滿足采用有源相控陣技術(shù)衛(wèi)星的地面測(cè)試要求。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

根據(jù)接收機(jī)載波頻譜的搬移方式，可以把接收機(jī)分為超外差式、直接變頻式、低中頻式、數(shù)字化接收機(jī)，其中超外差式接收機(jī)因?yàn)殪`敏度高、增益高、選擇性好和適用性廣等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用[3]。

本文中設(shè)計(jì)的L波段DBF接收機(jī)采用超外差式兩次變頻結(jié)構(gòu)，由于模擬星地之間測(cè)控通信，因此要求噪聲系數(shù)≤1.6 dB，增益≥55 dB，系統(tǒng)的組成框圖如圖1。

圖1 DBF接收機(jī)系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Schematic diagram of DBF receiver

影響多路接收機(jī)之間幅度一致性和相位穩(wěn)定性的因素主要有元器件的離散性、器件溫度的不穩(wěn)定性、工藝裝配造成的不一致及電路優(yōu)化設(shè)計(jì)不足造成的調(diào)試過(guò)多。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，提高集成度是實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定和高一致性的有效途徑，接收鏈路主要功能部件都直接選用MMIC單片集成電路，大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度并提高電路的可靠性，同時(shí)采用無(wú)源器件的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)放大器偏置電路，改善放大器的溫度穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)接收鏈路的優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。

2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.1 低噪聲放大器

接收機(jī)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)可以表示為：

Fi是接收機(jī)中第i級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，Gi是接收機(jī)中第i級(jí)放大器的的增益。可以看到只要第一級(jí)放大器具有足夠高的增益，那么整個(gè)接收機(jī)的噪聲系數(shù)基本決定于第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)。另外，接收機(jī)的靈敏度也受到噪聲系數(shù)的制約，靈敏度定義為接收機(jī)可檢測(cè)的最小信號(hào)功率，表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力。接收機(jī)的靈敏度越高，所能接收的信號(hào)就越弱。通常下式來(lái)計(jì)算接收機(jī)的靈敏度：

其中Fs為前端的噪聲系數(shù)，BW為信號(hào)帶寬。可見(jiàn)靈敏度受噪聲電平制約，所以要提高接收機(jī)靈敏度，必須盡量減小系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。在工作頻帶內(nèi)，選用低噪聲放大器噪聲系數(shù)1.1 dB，增益36 dB，通過(guò)計(jì)算鏈路增益分配可知，后級(jí)電路對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響可以忽略[3]。

2.2 濾波電路設(shè)計(jì)

混頻器是一種非線性器件，在下變頻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的交調(diào)分量和高次諧波，另外在混頻過(guò)程中本振的泄露也是不可避免的，在輸入射頻信號(hào)較小時(shí)，泄露的本振甚至可將中頻輸出信號(hào)淹沒(méi)，因此必須對(duì)其進(jìn)行抑制。

為實(shí)現(xiàn)高增益、高雜散抑制，中頻鏈路采用濾波－放大－濾波－放大電路結(jié)構(gòu)形式，中頻放大器的選取還需要綜合考慮接收機(jī)功耗，輸出P－1等因素。由于該接收機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，不光對(duì)帶外抑制要求高而且對(duì)中頻f0±3.1 MHz內(nèi)的群時(shí)延波動(dòng)提出了要求。相比于濾波器來(lái)說(shuō)，單片放大器的群延時(shí)波動(dòng)要小1個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此對(duì)濾波器群延時(shí)波動(dòng)必須仔細(xì)設(shè)計(jì)。LC濾波器具有體積相對(duì)較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、設(shè)計(jì)理論成熟等特點(diǎn)，考慮帶通濾波器使用LC濾波器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[3]。設(shè)計(jì)中從基本的低通濾波器原型設(shè)計(jì)出發(fā)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變換，再轉(zhuǎn)化成LC帶通濾波器模型。根據(jù)指標(biāo)要求，將橢圓函數(shù)和切比雪夫函數(shù)進(jìn)行融合計(jì)算優(yōu)化，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)7階LC帶通濾波器，從而幅頻特性和群延時(shí)波動(dòng)特性均能滿足要求，設(shè)計(jì)兩種LC帶通濾波器仿真圖見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 設(shè)計(jì)的兩種中頻LC帶通濾波器幅相仿真曲線Fig.2 The computerized simulation amplitude-phase of design LC BPF

2.3 混頻設(shè)計(jì)

混頻器件的選擇是決定接收機(jī)關(guān)鍵性能的重要因素。設(shè)計(jì)中采用經(jīng)過(guò)篩選、批次一致性較好的三平衡混頻器來(lái)滿足高線性、低雜散、低互調(diào)等要求。三平衡混頻器電路原理圖見(jiàn)圖3，相比雙平衡混頻器，由于采用了兩個(gè)二極管堆和輸入輸出端口采用了四端口正交90°耦合器設(shè)計(jì)，因此其本振、射頻及中頻帶寬可達(dá)幾個(gè)倍頻程，且動(dòng)態(tài)范圍大，失真小，隔離度高，從本振端口到輸出端口的泄漏很低，減輕了帶通濾波器對(duì)本振抑制的壓力。設(shè)計(jì)采用以下幾點(diǎn)優(yōu)化混頻器性能：1）為避免本振抑制受外部輸出匹配電路對(duì)稱性的影響，盡量保持射頻信號(hào)引腳的微帶板走線布局對(duì)稱；2）為避免接地不良對(duì)隔離度的影響，接地引腳及裸露襯墊必須連接至微帶板射頻地；3）為避免阻抗特性不匹配造成的“駐波牽引”影響帶內(nèi)平坦度指標(biāo)，輸入輸出端加入3 dB衰減器[4]。

圖3 三平衡式混頻器電路原理圖Fig.3 The schematic circuit diagram of triple balanced mixer

2.4 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

接收機(jī)的穩(wěn)定性主要取決于放大鏈路中的有源器件的穩(wěn)定性。在接收鏈路中頻放大部分選擇的是砷化鎵單片放大器，這是一種達(dá)林頓管，具有高增益，P－1輸出大，工作帶寬寬等特點(diǎn)，適合在接收機(jī)放大鏈路中間級(jí)和末級(jí)使用。由于達(dá)林頓管的本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其基極－發(fā)射極電壓VBE隨著外界溫度的升高而減小，導(dǎo)致基極電流IB和集電極電流IC相應(yīng)增加。在集電極－發(fā)射極電壓VCE保持恒定的情況下，IC的變化會(huì)導(dǎo)致達(dá)林頓管的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生漂移，使得單片放大器的工作穩(wěn)定性變差，帶來(lái)幅相一致性的變化，因此在設(shè)計(jì)中，必須采用補(bǔ)償措施。通?？梢允共捎迷O(shè)置鏡像電流源的方法對(duì)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定，然而鏡像電流源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，在本設(shè)計(jì)中采用無(wú)源器件組成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，如圖4。

圖4 負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定單片放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)Fig.4 Using negative feedback network to stabilized the quiescent point of MMIC amplifier

在實(shí)際的工程應(yīng)用中一般選擇集電極限流電阻的選擇滿足VRdiop≥0.2VCE，而分壓電阻的選擇滿足IShunt≥（5～10）IB，通過(guò)上述兩個(gè)措施結(jié)合，單片放大器能夠獲得較好的溫度穩(wěn)定性[5]。

2.5 本振隔離

DBF接收機(jī)通道之間的隔離度是影響波束形成精度的重要指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此必須對(duì)輸入本振進(jìn)行高度隔離。傳統(tǒng)采用鐵氧體隔離器的隔離效果好，但是體積大，并且溫度特性不穩(wěn)定，通常單片放大器反向隔離度較高，通過(guò)合理的設(shè)置能夠獲得較好的溫度穩(wěn)定性能，因此在本振輸入端口使用單片放大器很好解決了多路之間隔離度問(wèn)題[4]。

2.6 幅相一致性考慮

2.6.1 幅度一致性設(shè)計(jì)為滿足對(duì)DBF接收機(jī)幅度一致性要求，首先必須保證關(guān)鍵器件本身的幅度一致性，如單片放大器，混頻器和濾波器等，該指標(biāo)主要是由器件本身的帶內(nèi)波動(dòng)，以及相互之間的阻抗不匹配所導(dǎo)致的。為此，設(shè)計(jì)中采用了如下措施：1）選擇高質(zhì)量可靠度器件，同時(shí)對(duì)器件進(jìn)行配對(duì)篩選，確保其在工作頻段內(nèi)具有良好的幅度、阻抗特性；2）使用真空釬焊將微帶基板焊接在殼體，改善電路的接地效果，同時(shí)還能夠提高抗電磁干擾能力；3）對(duì)端口駐波比達(dá)不到要求的器件，通過(guò)設(shè)計(jì)阻抗匹配電路改善駐波比，必要時(shí)使用3 dB以上衰減器改善駐波比，消除“駐波牽引”；通過(guò)調(diào)整各級(jí)電路的匹配狀態(tài)、增加電路隔離度等方法，達(dá)到各器件的良好匹配。4）最后一級(jí)放大器前插入一個(gè)使用電阻搭成的π型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可對(duì)整個(gè)放大鏈路的增益進(jìn)行微調(diào)。通過(guò)以上措施，可以滿足對(duì)幅度一致性的要求。

2.6.2 相位一致性設(shè)計(jì)

DBF接收機(jī)的相位一致性主要取決于各個(gè)器件的相位一致性，另外，還受加工、工藝、裝配、調(diào)試的影響。具體來(lái)說(shuō)：

1）從加工制造來(lái)說(shuō)，影響相位一致性的因素主要有：微帶介質(zhì)板的工藝原因?qū)е陆殡姵?shù)的不一致；微帶板及外殼由于機(jī)加公差的波動(dòng)導(dǎo)致尺寸精度不能保證；電裝引入的誤差。可以采用如下措施改進(jìn)：微帶介質(zhì)板選用介電常數(shù)一致性較好的同一批次產(chǎn)品；采用數(shù)控加工技術(shù)保證微帶板的機(jī)加一致性；在滿足電性能的前提下，選用加工性能良好的金屬材料作為殼體材料，同時(shí)使用采用數(shù)控加工技術(shù)保證加工精度；表貼器件使用回流焊工藝，微波單片放大器手工電裝時(shí)同一器件必須由同一人裝配，避免電裝的不一致性。

2）從電路設(shè)計(jì)及調(diào)試來(lái)說(shuō)：優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、元器件布局時(shí)要避免相互影響和微帶傳輸線間的相互耦合，減少微帶線的彎折、跳變等不連續(xù)性的影響；每個(gè)放大電路電源饋電處并聯(lián)一個(gè)0.01μF低頻獨(dú)石電容和10μF鉭電容進(jìn)行濾波處理，同時(shí)串聯(lián)一個(gè)鐵氧體繞線電感進(jìn)行隔離，防止射頻信號(hào)通過(guò)電源線相互串?dāng)_；各級(jí)電路的必須具有好的穩(wěn)定性和駐波特性；放大器與放大器，放大器與濾波器之間級(jí)聯(lián)要加入衰減器進(jìn)行匹配；制作LC帶通濾波器的元器件要進(jìn)行篩選仔細(xì)配對(duì)；帶通濾波器輸入輸出端之間使用隔筋，空間上進(jìn)行隔離，防止輸入輸出端之間的空間串?dāng)_。只有這樣才能在調(diào)整相位一致性時(shí)不致使其它指標(biāo)偏差太大。為滿足相位一致性，原則上對(duì)組裝好的電路最好不進(jìn)行任何調(diào)試。但實(shí)際還需對(duì)電路進(jìn)行微調(diào)來(lái)保證相位一致性，經(jīng)常的措施有：在調(diào)試各通道電路時(shí)，盡量使調(diào)試點(diǎn)完全一致；通過(guò)在微帶線附近貼敷吸波材料、改變本振端電纜長(zhǎng)度等措施抵消固定相差[6]。

3 測(cè)試結(jié)果

研制出的DBF接收機(jī)見(jiàn)圖5，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試可以達(dá)到的指標(biāo)如下：

圖5 DBF接收機(jī)實(shí)物Fig.5 The designed DBF receiver

系統(tǒng)噪聲：≤2.0 dB

瞬時(shí)動(dòng)態(tài)：≥50 dB

4 結(jié)束語(yǔ)

本文DBF接收機(jī)設(shè)計(jì)中盡量采用微波單片集成電路最大限度提高系統(tǒng)集成度、減少分離元器件數(shù)量；優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，注重級(jí)間匹配、使用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定放大器靜態(tài)工作點(diǎn)；同時(shí)合理的布局，工藝裝配也是設(shè)計(jì)的重要方面?，F(xiàn)在，該DBF接收機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際中，其幅相一致性和穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證，能夠較好的滿足采用有源相控陣技術(shù)衛(wèi)星的地面測(cè)試要求。

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