王緒寧，孫書(shū)良，陳 強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，各種導(dǎo)航系統(tǒng)的交互應(yīng)用日益緊密，衍生出來(lái)的各種組合導(dǎo)航系統(tǒng)都對(duì)接收下變頻器提出了更高的要求。衛(wèi)星導(dǎo)航跟蹤站系統(tǒng)對(duì)接收下變頻器要求更高，要求小型化、低功耗。對(duì)設(shè)備的體積限制在100 mm×80 mm×30 mm范圍內(nèi)，對(duì)功耗要求＜5 W。該設(shè)備同時(shí)要求相位噪聲指標(biāo)在100 Hz處 ＜ －85 dBc/Hz［1］;1 kHz處 ＜－90 dBc/Hz;10 kHz處 ＜ －95 dBc/Hz;100 kHz處＜ －100 dBc/Hz。

以上關(guān)于體積、功耗以及相位噪聲的要求對(duì)下變頻器是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)，以往地面系統(tǒng)中單路下變頻器的體積要求就差不多這么大，而這個(gè)項(xiàng)目中要求設(shè)計(jì)8個(gè)通道的下變頻，難度是相當(dāng)大的，設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于多通道的雜散抑制、低功耗和散熱等。先期采購(gòu)的業(yè)界產(chǎn)品體積都較大，體積達(dá)到180 mm×100 mm×40 mm，本設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)的微波電路設(shè)計(jì)理念，突破電路設(shè)計(jì)極限，研制出滿(mǎn)足要求的產(chǎn)品。

1 本振設(shè)計(jì)

衛(wèi)星導(dǎo)航跟蹤站系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)的多通道下變頻器頻率配置如表1所示。

表1 多通道下變頻器頻率配置

從表1可看出，本振頻率覆蓋1 050～1 480 MHz［2］，目前成熟應(yīng)用的內(nèi)置 VCO的 PLL芯片有ADF4350、HMC830 和 RFFC5071 等［3］，從相位噪聲指標(biāo)上說(shuō) HMC830優(yōu)于 ADF4350，RFFC5071相噪與HMC830幾乎相當(dāng)，功耗上 RFFC5071優(yōu)于HMC830和ADF4350。以上3款芯片的功耗分別為HMC830∶1.2 W，ADF4350:0.4 W，RFFC5071∶0.3 W，8路信號(hào)分別約為10 W、3 W 和 2.5 W，在以上3款PLL芯片中，優(yōu)選RFFC5071，該芯片功耗最低，相噪指標(biāo)好，而且該芯片內(nèi)置混頻器，可以配置高線性狀態(tài)，高線性狀態(tài)下輸入IP3為+23 dBm，電流為125 mA，功耗為0.375 W。

為了追求低功耗、小型化，期望電流能夠達(dá)到最小。顯然RFFC5071芯片相對(duì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)具有很低的功耗，但這個(gè)功耗還不是最小的。在內(nèi)置VCO的鎖相芯片產(chǎn)生之前，都是采用分立器件實(shí)現(xiàn)本振源［4］，即由鑒相器、VCO和環(huán)路濾波器組成，PLL芯片采用ADF4112、VCO由MINI廠家生產(chǎn)，無(wú)源環(huán)路濾波由 R、C 組成［5，6］。該組成功耗為 0.127 W，這個(gè)功耗近乎只有RFFC5071的30%，而且據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)分立器件環(huán)路鎖相源相噪指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，該方案缺點(diǎn)在于電路稍微復(fù)雜一些，成本略高一些。

2 混頻器選擇

在以往的工程中成熟應(yīng)用的混頻器有SYM－25D、HMC422、HMC915、HMC217MS8 和 MAX2681等［7］，以上器件的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 混頻器技術(shù)參數(shù)

從表2可以看出，以上5種混頻器HMC915的指標(biāo)最好，但該器件的功耗太大，不符合低功耗的要求;MAX2681的輸入IP3指標(biāo)最差，但是綜合它的LO電平和增益［8］，這款芯片還是具有較大的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)優(yōu)化輸入信號(hào)鏈路放大器增益，可以避免IIP3指標(biāo)對(duì)下變頻器整機(jī)的性能影響，而且相對(duì)其他4種混頻器，它是有正增益的，相當(dāng)于省下了一級(jí)15 dB增益的放大器件。就體積來(lái)說(shuō)，該器件也是上述器件中最小的，符合小型化設(shè)計(jì)的需求，唯一相對(duì)麻煩的是，它的各端口隔離度是靠外圍L、C濾波實(shí)現(xiàn)的［9］，根據(jù)頻點(diǎn)的不同，電感電容的值略有不同，但這些都是可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中固化的。

3 放大器件的選擇

在以往的工程中成熟應(yīng)用的放大器有ERA－3SM、UPC2712、SBF －5043、ERA －5SM 和 SBB －4089等，以上器件的技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 放大器技術(shù)參數(shù)

從表3可以看出，以上5種放大器件中，性能指標(biāo)最好的是SBB－4089［10］，該器件具有較高的線性度，帶內(nèi)增益非常平坦，但是其功耗較大，用在本設(shè)計(jì)中不符合低功耗的設(shè)計(jì)理念。而SBF－5043器件電流可調(diào)，在中頻段可以低電流狀態(tài)獲得很大的增益，在高頻段該器件增益約為14 dB，易于級(jí)連，避免電路自激，該器件電流僅為10 mA，具有較高的線性度，外圍電路簡(jiǎn)單，體積小，基于以上特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)放大器選擇SBF－5043。

4 電路設(shè)計(jì)

微波電路設(shè)計(jì)通常采用介電常數(shù)較低的聚四氟乙烯雙層板材，這樣電路可以有較小的線路損耗，獲得較好的微波特性，然而本設(shè)計(jì)中電路集成度太高，雙層板不可能實(shí)現(xiàn)，所以本設(shè)計(jì)采用介電常數(shù)4.7的環(huán)氧樹(shù)脂4層板材。多通道下變頻器的原理圖如圖1所示。

圖1 變頻器原理

多通道下變頻器設(shè)計(jì)采用2塊PCB，每個(gè)PCB上布局4個(gè)下變頻通道，時(shí)頻10 MHz分路通常采用功分器進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的阻抗匹配，但本設(shè)計(jì)需進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，眾多的功分器組，或者1分8路功分器均占較大的面積，且走線復(fù)雜，易串入低頻干擾，本設(shè)計(jì)為了小型化，采用直接在輸入時(shí)頻信號(hào)線路上分8根時(shí)頻線，不考慮阻抗匹配，分8路后的時(shí)頻信號(hào)均通過(guò)SN74AHC1G04DBVR非門(mén)整形成方波后送入鑒相器 ADF4112，工程實(shí)踐表明該方法有效。

圖1中，射頻信號(hào)的功分網(wǎng)絡(luò)為了小型化摒棄了以往采用功分器件的方法，射頻信號(hào)輸入后進(jìn)行2級(jí)放大，然后接數(shù)控衰減器，數(shù)控衰減器輸出后直接分成2路信號(hào)線，此處不考慮50 Ω阻抗匹配，分成2路射頻信號(hào)分別通過(guò)T型電阻網(wǎng)絡(luò)分成4路，其損耗用1級(jí)放大器補(bǔ)償即可。分路后的8路信號(hào)分別進(jìn)行射頻濾波處理送入混頻器作為混頻器的RF信號(hào)。

考慮到印制板上的器件過(guò)多，印制板設(shè)計(jì)采用分層次設(shè)計(jì)，即變頻及中頻放大濾波在正面，本振設(shè)計(jì)在背面，射頻放大器、數(shù)控衰減器和射頻功分網(wǎng)絡(luò)布局在兩面均有，與其他信號(hào)隔腔處理。由于器件多，走線復(fù)雜，印制板4層信號(hào)分別設(shè)計(jì)依次為:信號(hào)層1、地層1、地層2和信號(hào)層2。信號(hào)層1與地層1走線過(guò)孔采用埋盲孔，信號(hào)層2與地層2走線過(guò)孔采用埋盲孔，這樣走線避免串?dāng)_，地層1、地層2兼布一些控制線。本振設(shè)計(jì)均在背面，屏蔽盒中間對(duì)每路本振信號(hào)均隔腔處理。

8 個(gè)通道的鑒相器 ADF4112［11，12］的寄存器配置應(yīng)用單片機(jī)PIC12C508A，這樣就可以避免單片機(jī)集中控制帶來(lái)的走線過(guò)多問(wèn)題，這樣有利于分腔屏蔽。數(shù)控衰減器的配置采用單片機(jī)ATMEGA8L，輸出的串口數(shù)據(jù)經(jīng)ADM101轉(zhuǎn)換為RS232，直接與計(jì)算機(jī)通信。電源處理采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器與LDO混合應(yīng)用，開(kāi)關(guān)穩(wěn) 壓器采 用 LT3972EMSE，LDO 選 用HMC1060，這樣可以提供電源效率，降低由于全部應(yīng)用線性穩(wěn)壓器帶來(lái)的熱量損耗。最終設(shè)計(jì)的接收多通道下變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)的功能如下:①溫度檢測(cè)功能(DS1620);② 增益控制功能(HMC624LP4);③過(guò)壓過(guò)流檢測(cè)(MAX4375);④本振鎖定指示檢測(cè);⑤ 提供 LNA電源;⑥ LNA故障檢測(cè)(MAX4375)。接收多通道下變頻器的腔體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 接收多通道下變頻器結(jié)構(gòu)

為了增強(qiáng)抗電磁干擾性能，屏蔽蓋板上設(shè)計(jì)隔腔卡槽，同時(shí)要求固定蓋板的螺釘盡可能的多一些。

5 加工測(cè)試及結(jié)果分析

接收多通道下變頻器的實(shí)物圖如圖3所示。接收多通道下變頻器的測(cè)試技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

圖3 接收多通道下變頻器實(shí)物圖

表4 下變頻器實(shí)測(cè)指標(biāo)

從測(cè)試結(jié)果可以看出，測(cè)試指標(biāo)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，以上指標(biāo)相比業(yè)界廠家訂制產(chǎn)品的指標(biāo)均有所提高。從圖3可以看出，自研的產(chǎn)品外型上尚有較大的改進(jìn)空間。內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)也有一定的改進(jìn)空間，通過(guò)合理的、精細(xì)化的電路設(shè)計(jì)，可以將屏蔽盒內(nèi)的2個(gè)隔腔去掉，這樣在安裝上可以更方便一些。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)小型化、低功耗設(shè)計(jì)的接收多通道下變頻器完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也積累了很多設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如此類(lèi)多通道下變頻器只需要對(duì)本振進(jìn)行隔腔處理，其他部分不用分腔。從圖2可以看出，如果改變固定方式的話，體積可以縮小到≤77.5 mm×70 mm×26 mm，通過(guò)優(yōu)化鏈路增益，可以進(jìn)一步降低功耗。

本設(shè)計(jì)與業(yè)界廠家訂制的產(chǎn)品比較，體積和功耗均小，同時(shí)指標(biāo)也優(yōu)于各廠家產(chǎn)品。該設(shè)計(jì)為具有同類(lèi)設(shè)計(jì)需求的項(xiàng)目提供了設(shè)計(jì)參考，同時(shí)設(shè)備還具有進(jìn)一步的改進(jìn)空間，通過(guò)加強(qiáng)合理化布局，能夠進(jìn)一步縮小體積。

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