徐森鋒，吳亮亮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所 科技處，石家莊 050051)

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Ku波段多通道收發(fā)組件設(shè)計(jì)

徐森鋒，吳亮亮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第13研究所 科技處，石家莊 050051)

闡述了一種包含四路接收通道和一路發(fā)射通道的Ku波段收發(fā)組件的工作原理，并對(duì)組成的單元電路和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，在2 GHz帶寬和-55～+85 ℃溫度下，發(fā)射通道輸出功率為(31±1) dBm，帶內(nèi)功率平坦度≤±0.5 dB，開關(guān)隔離度≥90 dB；接收通道增益為(30±1) dB，噪聲系數(shù)≤5.0 dB，通道隔離度≥60 dB。測(cè)試結(jié)果表明，方案切實(shí)可行，滿足使用要求。

Ku波段；收發(fā)組件；多通道；發(fā)射通道；接收通道

收發(fā)組件是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中的重要組成部分。其質(zhì)量影響整個(gè)通信系統(tǒng)的通信效果，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能起到關(guān)鍵作用。收發(fā)組件通常由發(fā)射通道和接收通道兩部分組成。發(fā)射通道的主要作用是將調(diào)制后的中頻信號(hào)變頻至射頻信號(hào)，再進(jìn)行放大濾波等處理，使信號(hào)達(dá)到一定功率輸出。發(fā)射通道的主要指標(biāo)是發(fā)射功率、帶內(nèi)平坦度、三階互調(diào)等；接收通道的主要作用是從空間接收到的電磁波中選出有用信號(hào)，變頻至中頻信號(hào)并放大濾波輸出。接收通道的主要指標(biāo)是噪聲系數(shù)、增益、動(dòng)態(tài)范圍、抗干擾能力等。多路通道還必須考慮通道之間的幅相一致性、通道隔離度等指標(biāo)[1-2]。

1　設(shè)計(jì)原理和構(gòu)成方案

收發(fā)組件主要包括發(fā)射通道、接收通道、DC/DC電源轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)電路等單元。其中發(fā)射通道和接收通道射頻電路相互獨(dú)立，共用DC/DC電源轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)電路。

發(fā)射通道對(duì)輸入的Ku波段信號(hào)進(jìn)行放大處理，電路組成包括微波開關(guān)、推動(dòng)級(jí)放大器、末級(jí)功率放大器等。

接收通道[3-4]對(duì)輸入的Ku波段信號(hào)進(jìn)行下變頻處理，包含3路主通道(1路和通道和2路差通道)和1路輔助通道。主接收通道電路組成包括波導(dǎo)轉(zhuǎn)換、開關(guān)、低噪聲放大器、混頻器、中頻濾波器、中頻放大器等。輸入采用波導(dǎo)，輸出采用SMA接頭；輔助接收通道電路組成包括限幅器、混頻器、中頻濾波器、中頻放大器等。其中，和通道功分兩路，其中一路與輔助通道在中頻輸出端用開關(guān)選擇輸出。發(fā)射和接收選通信號(hào)為L(zhǎng)VDS差分信號(hào)，通過集成的數(shù)字處理電路轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)，輸入到驅(qū)動(dòng)電路來控制發(fā)射通道和接收通道的開關(guān)。收發(fā)組件的原理框圖如圖1所示。

2　單元電路設(shè)計(jì)

2.1發(fā)射通道設(shè)計(jì)

(1)功率放大單元設(shè)計(jì)[5]。功率放大單元分為推動(dòng)放大電路和功率輸出電路。發(fā)射通道的輸入功率為-1～6 dBm、輸出功率為31±1 dBm，由于工作溫度范圍大(-55～+85 ℃)、頻帶寬(2 GHz)，輸入功率范圍較大，為保證整個(gè)通帶輸出功率及平坦度要求，需將末級(jí)功率放大器設(shè)計(jì)為飽和輸出。因此選擇了一款飽和輸出功率>31.5 dBm的砷化鎵放大芯片，再根據(jù)末級(jí)功率放大器的性能指標(biāo)和發(fā)射通道的總增益來選擇推動(dòng)級(jí)放大器；

圖1　收發(fā)組件原理框圖

(2)開關(guān)隔離度設(shè)計(jì)。為滿足≥90 dB的開關(guān)隔離度要求，末級(jí)功放采用柵極調(diào)制，實(shí)現(xiàn)功放的脈沖工作，達(dá)到30 dB以上的開關(guān)隔離度。同時(shí)在推動(dòng)級(jí)放大器前后各增加一個(gè)砷化鎵單刀單擲開關(guān)，在關(guān)斷功放的同時(shí)，兩個(gè)微波開關(guān)同時(shí)關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)70 dB以上隔離度。兩者疊加可滿足≥90 dB的開關(guān)隔離度；

(3)開關(guān)速度設(shè)計(jì)。開關(guān)速度主要由開關(guān)電路的延遲時(shí)間決定，包括開關(guān)驅(qū)動(dòng)器延遲時(shí)間、LVDS差分轉(zhuǎn)換時(shí)間以及單刀單擲開關(guān)速度。發(fā)射通道的延遲時(shí)間約40 ns。

2.2接收通道設(shè)計(jì)

(1)波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)[6-7]。波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換是接收通道的重要組成部分，其性能決定了端口的匹配效果，對(duì)接收通道的噪聲指標(biāo)有很大的影響。接收通道的波導(dǎo)口為非標(biāo)準(zhǔn)尺寸矩形波導(dǎo)口，轉(zhuǎn)換的工作帶寬為2 GHz，針對(duì)該指標(biāo)采用HFSS仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真，提高其工作性能。仿真模型及結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶HFSS仿真模型

圖3　波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶HFSS仿真結(jié)果

(2)消隱開關(guān)設(shè)計(jì)。射頻信號(hào)經(jīng)過波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶進(jìn)入消隱開關(guān)電路。消隱開關(guān)電路采用一對(duì)單刀雙擲開關(guān)，一個(gè)數(shù)控衰減器以及固定衰減器來實(shí)現(xiàn)三態(tài)控制(導(dǎo)通態(tài)、衰減態(tài)、關(guān)斷態(tài))，如圖4所示。

圖4　消隱開關(guān)原理框圖

當(dāng)處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，開關(guān)切換至低噪放一路；當(dāng)處于衰減態(tài)時(shí)，開關(guān)切換至衰減一路，同時(shí)數(shù)控衰減器不衰減；當(dāng)處于關(guān)斷態(tài)時(shí)，開關(guān)切換至衰減一路，同時(shí)數(shù)控衰減器衰減；

(3)下變頻單元設(shè)計(jì)[8]。射頻信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行下變頻混頻，混頻器采用鏡像抑制混頻器產(chǎn)生兩路正交的中頻信號(hào)，再通過正交合成器合成所需要的中頻信號(hào)，同時(shí)抑制掉鏡頻信號(hào)，最后放大濾波輸出。選用此形式的混頻器具有插損小、隔離高、諧波低的優(yōu)點(diǎn)；

(4)輔助通道設(shè)計(jì)。輔助通道的輸入端為能承受1 W以上功率的限幅器。射頻信號(hào)下變頻至中頻信號(hào)，與主路和通道功分出的一路通過開關(guān)實(shí)現(xiàn)選通控制；

(5)通道幅相一致性設(shè)計(jì)[9]。通道間的幅相一致性變化受多個(gè)方面因素的影響，器件、電路、匹配狀態(tài)都會(huì)影響到幅相的變化量，此指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要針對(duì)以上3個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，要保證各通道元器件的一致性、電路工藝及結(jié)構(gòu)工藝的合理性和一致性。在電路設(shè)計(jì)上將接收通道的傳輸線尺寸設(shè)計(jì)一致，元器件安裝位置相同，采用同一批次器件，保證接收通道設(shè)計(jì)的一致性來滿足接收模塊通道幅相一致性要求。但受器件、電路、匹配效果差異的影響，相位指標(biāo)很難準(zhǔn)確設(shè)計(jì)在某一固定值，同時(shí)該指標(biāo)受工程實(shí)際因素的影響較大，以往同類產(chǎn)品研制結(jié)果表明：通道間的相位一致性變化一般約在20°;

(6)通道間隔離度設(shè)計(jì)。采取射頻分腔隔離的方法增加射頻路間隔離，中頻信號(hào)隔離可通過在本振信號(hào)線上加短路線實(shí)現(xiàn)，同時(shí)加強(qiáng)電源濾波處理，防止信號(hào)串?dāng)_。

2.3電源及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

(1)電源設(shè)計(jì)。輸入的DC電源范圍較寬，需對(duì)其穩(wěn)壓后再提供給有源器件，通過磁環(huán)電感和電容相配合，實(shí)現(xiàn)共模電流抑制功能，提高電源電路的抗干擾能力；

(2)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。LVDS差分信號(hào)輸入后通過集成的數(shù)字處理電路處理成TTL信號(hào)。該集成電路可4路同時(shí)工作，收發(fā)組件需要使用兩路驅(qū)動(dòng)電路，該器件滿足了產(chǎn)品的使用要求。驅(qū)動(dòng)電路將輸入的四路LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩路TTL信號(hào)后，分別輸入到兩個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，控制接收與發(fā)射的開關(guān)。為了減弱信號(hào)通過控制電路在接收3個(gè)主通道之間的相互串?dāng)_，對(duì)3個(gè)通道的射頻開關(guān)電路采用相同但獨(dú)立的控制電路，以提高路間隔離度。電路實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示。

圖5　驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3　測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，研制出了Ku波段多通道收發(fā)組件。測(cè)試結(jié)果如表1所示，收發(fā)組件的測(cè)試結(jié)果比較理想，符合技術(shù)要求。但考慮到現(xiàn)代無線收發(fā)系統(tǒng)的快速發(fā)展，技術(shù)要求的不斷提高，擬對(duì)部分電路進(jìn)行改進(jìn)。其中，接收通道噪聲系數(shù)主要受波導(dǎo)轉(zhuǎn)換、開關(guān)及低噪聲放大器的影響。為改善噪聲系數(shù)，可對(duì)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)由于波導(dǎo)轉(zhuǎn)換受機(jī)械加工精度的影響較大，可選擇更精密的機(jī)械加工來提高精度。此外選擇更優(yōu)良性能的開關(guān)和低噪聲放大器，優(yōu)化級(jí)間匹配，亦可降低噪聲系數(shù)；為改善發(fā)射通道輸入輸出駐波，可通過增加小體積的微帶隔離器來實(shí)現(xiàn)。

表1　收發(fā)組件實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(-55～+85 ℃)

4　結(jié)束語

收發(fā)組件作為無線通信的關(guān)鍵設(shè)備之一，具有較高的研究?jī)r(jià)值。本文介紹了一種Ku波段多通道收發(fā)組件的設(shè)計(jì)，對(duì)組件的工作原理和單元電路的組成進(jìn)行了闡述，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。測(cè)試結(jié)果表明，方案切實(shí)可行，滿足使用要求。

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Design of a Multichannel Ku-band Transceiver

XU Senfeng，WU Liangliang

(Science and Technology Department，The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Shijiazhuang 050051, China)

The fundamental working principle of a Ku-band transceiver which consists of four receiving channels and one transmitting channel is introduced first, and then a detailed analysis is made of the unit circuits and key technology. The test results show that in the working bandwidth of 2 GHz and at -55～+85 ℃, the output power of transmitting channel is up to 31±1 dBm, the gain flatness in band is≤±0.5 dB, the switch isolation is≥90 dB, and the gain of receiving channel is up to 30±1 dB, the noise figure is≤5 dB, and the channel isolation is≥60 dB. The test results demonstrate that the design is valid and meets the requirement.

Ku-band; transceiver; multichannel; transmitting channel; receiving channel

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.011

2015-11-03

徐森鋒(1983-)，男，工程師。研究方向：微波毫米波固態(tài)電路。

TN92

A

1007-7820(2016)08-036-03