李 翔

(中國電子科技集團公司 第13研究所17專業(yè)部，河北 石家莊 050000)

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X波段一體化收發(fā)組件設計

李 翔

(中國電子科技集團公司 第13研究所17專業(yè)部，河北 石家莊 050000)

針對機載設備小型化、輕量化、低功耗等要求，采用射頻電路小型一體化技術、大功率發(fā)射等方法，設計了一種X波段低噪聲系數(shù)、多次變頻等功能的一體化收發(fā)組件。收發(fā)組件的主要指標噪聲系數(shù)≤3 dB；鏡像抑制≥50 dB；發(fā)射泄漏幅度在-10～0 dBm；輸出脈沖功率≥30 W。組件用于某雷達，已通過試驗驗證，性能穩(wěn)定，具有較強實用性。

收發(fā)組件；噪聲系數(shù)；鏡像抑制；發(fā)射泄漏幅度；輸出脈沖功率

雷達是集中了現(xiàn)代電子科學技術各種成就的高科技系統(tǒng)[1-2]。眾所周知，雷達很早以前便在地面、艦載、機載等方面成功的使用[3-4]，是一種可主動地對遠距離目標進行全天候探測的信息獲取裝備[5-6]。X波段是頻率在8～12 GHz電磁波，具有反射率強，波長短等特點，因此，X波段的雷達在軍事和特殊用途上得到了良好的應用[7]。收發(fā)組件作為雷達的重要組成部分[8]，一般通過預選、放大、變頻、濾波和解調(diào)等方法實現(xiàn)[9]，接收前端是雷達處理回波信號的前端[10]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該收發(fā)組件工作在X頻率，其中主要包括射頻通道、混頻、中頻通道、發(fā)射通道及功放單元等組成。組件收發(fā)通過環(huán)形器共用一個射頻端口[11]。

接收通道通過限幅器及保護開關實現(xiàn)對接收低噪聲放大器件的保護，兩次下變頻完成將X波段信號變頻至中頻，經(jīng)濾波、放大輸出。發(fā)射通道通過一次上變頻實現(xiàn)，將L波段信號上變頻至X波段，經(jīng)濾波、功放輸出，最終輸出功率達到30 W。收發(fā)組件的原理框圖如圖1所示。

圖1 X波段一體化收發(fā)組件原理框圖

2 電路設計

2.1 射頻單元

射頻通道的主要功能是，將射頻信號進行線性放大，然后由濾波器抑制鏡像頻率、帶外雜散，避免干擾信號消耗混頻器的動態(tài)范圍。在此組件中，噪聲系數(shù)主要由第一級混頻之前決定，主要取決于環(huán)形器的損耗[12]、波導-微帶轉(zhuǎn)換插損、限幅器及開關的損耗[13]、兩級低噪放的噪聲系數(shù)及其增益、濾波器的損耗和混頻器的變頻損耗。其中，波導-微帶轉(zhuǎn)換采用的是波導-探針-微帶過渡，微帶平面的法向與波導內(nèi)電磁波的傳播方向平行[14]，仿真曲線如圖2所示。

整個接收通道部分的噪聲系數(shù)和增益的理論計算鏈路如圖3所示，該收發(fā)組件的噪聲系數(shù)<3 dB，增益40 dB。

圖2 波導-微帶轉(zhuǎn)換仿真曲線

圖3 射頻接收通道噪聲、增益計算

2.2 混頻單元

混頻器的選擇主要考慮本振頻率和功率、變頻損耗、本振與射頻的隔離度及鏡像抑制等指標[15]。X波段收發(fā)組件經(jīng)兩次混頻下變頻到中頻輸出。該收發(fā)組件要求鏡像抑制≥50 dBm，因此選用鏡像抑制混頻器。第一級混頻采用I/Q混頻器HMC520，第二級混頻依然采用I/Q混頻器NC1736C-102。該收發(fā)組件對鏡像抑制要求較高，除了采用鏡像抑制混頻器外，還需要RF鏡像抑制濾波器及中頻濾波器。圖4為濾波器的仿真曲線圖。

圖4 濾波器仿真曲線

2.3 中頻單元

中頻單元由中頻放大器和中頻濾波器組成。合理選擇中頻放大器，同時兼顧其動態(tài)范圍等，考慮到小型化因素，最終選擇了芯片放大器。中頻濾波器為LC濾波器，其關鍵指標為：中心頻率fIF；0.5 dB帶寬≥8 MHz；3dB帶寬≤±10 MHz。

2.4 功放單元

該收發(fā)組件中要求輸出脈沖功率≥30 W。在功放單元中所采用的合成器形式為混合環(huán)，其優(yōu)點為端口駐波好，分配端口之間具有較高的隔離度，可以避免單片駐波較差帶來功率合成的影響。功放單元具體指標分配如圖5所示，最后輸出功率>45 dBm，即>30 W。

圖5 功放指標分配

3 技術難點

該X波段一體化收發(fā)組件較難實現(xiàn)的一個指標是發(fā)射泄漏幅度在-10～0 dBm范圍內(nèi)。在結(jié)構布局時將接收和發(fā)射兩個模塊分腔設計，減少信號串擾，以保證良好的收發(fā)隔離。

發(fā)射信號泄漏到中頻輸出端有兩種途徑，一種是功放輸出信號從發(fā)射通道經(jīng)過本振通道，泄漏到中頻輸出；一種是從接收通道泄漏到中頻信號。功放模塊輸出功率30 W，約45 dBm，發(fā)射通道中兩級HMC564的反向隔離約34 dBm，濾波器插損3 dB，混頻器HMC553的LO&RF隔離約45 dBm，本振功分器的隔離約17 dBm，因此，發(fā)射信號通過本振通道泄漏到接收通道一次混頻前的信號幅度為45-34-3-45-17=-54 dBm；在接收通道，環(huán)形器隔離約20 dBm，兩級開關隔離約70 dBm，兩級低噪放增益約41 dB，濾波器插損3 dB，因此，發(fā)射信號泄漏到接收通道一次混頻前的信號幅度為45-20-70+41-3=-7 dBm。由此看出，發(fā)射信號從本振通道泄漏的信號比從接收通道泄漏的信號幅度要小很多，因此發(fā)射泄漏幅度主要從接收通道泄漏。

在測試時，射頻端加負載，功放模塊輸出功率30 W，約45 dBm，環(huán)形器隔離約20 dBm，兩級開關隔離約70 dBm，接收通道總增益40 dB，理論上，發(fā)射泄漏幅度45-20+40-70=-5 dBm，實際測試中測得泄漏幅度為-8.5 dBm。

4 研制結(jié)果

研制的X波段收發(fā)組件工作在-45～+70 ℃范圍內(nèi)，幾個主要指標測試結(jié)果如表1所示。在整機使用中，該產(chǎn)品性能穩(wěn)定，一致性高，長期可靠性得到驗證。

表1 組件指標測試結(jié)果

5 結(jié)束語

描述了X波段一體化收發(fā)組件的工作原理及系統(tǒng)實現(xiàn)方案，通過對多芯片射頻收發(fā)組件的系統(tǒng)級聯(lián)，實現(xiàn)了對收發(fā)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)、鏡像抑制及發(fā)射泄漏的分析，對其中的關鍵指標及工程實現(xiàn)進行了剖析，并給出了具體的研制結(jié)果。此X波段一體化收發(fā)組件研制已成功，優(yōu)良的性能指標使得該組件在實際工程中得到了應用，具有良好的前景。

[1] 曾海兵,謝永亮,陳珂.提高雷達低空探測能力的措施研究[J].電子科技,2016,29(3):164-167.

[2] 王凱.機載MIMO雷達空時雜波塊對消器[J].電子科技,2015,28(6):136-140.

[3] 代傳堂,柴文乾.X波段雙頻連續(xù)波跟蹤雷達收發(fā)前端設計[C].合肥:2015年全國微波毫米波會議,2015.

[4] 高穎,葛飛,周士軍,等.基于復雜電磁環(huán)境雷達信息實時可視化系統(tǒng)[J].西北工業(yè)大學學報,2015,33(3):413-419.

[5] 徐建.X波段接收前端研究與設計[D].成都:電子科技大學,2011.

[6] 薛良金.毫米波工程基礎[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2003.

[7] 弋穩(wěn).雷達接收技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[8] 申勝起,張強.微波收發(fā)組件的電磁兼容研究[J].艦船電子對抗,2013,36(2):96-99.

[9] 鄧磊,唐高弟,王鋒.基于AD8318的對數(shù)檢波接收機設計[J].信息與電子工程,2007,5(3):190-193.

[10] 張光義,趙玉潔.相控陣雷達技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[11] 張帥,彭龍,徐洋.X波段LTCC鐵氧體環(huán)形器的設計[J].電子科技,2016,29(4):130-132.

[12] 彭龍,李元勛,涂小強,等.X波段疊層片式微帶鐵氧體環(huán)形器的設計[J].強激光與粒子束,2013,25(10):2717-2722.

[13] 章敏,蔡德林,任鳳.基于PIN管的開關限幅器仿真與設計[J].電子技術,2013,26(3):71-73.

[14] 王文祥.微波工程技術[M].成都:電子科技大學出版社,2006.

[15] 喻夢霞,李桂萍.微波固態(tài)電路[M].成都:電子科技大學出版社,2008.

Design of an X Band Integrative T/R Module

LI Xiang

(No.17 Professional Department,13thResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050000, China)

An X band integrative T/R module of low noise figure and multiple frequency conversions is designed by using the RF circuit integration technology and high power transmitters to meet the requirements of airborne equipment for miniaturization, lightweight model and low power consumption. The T/R module performance of the assembly is as follows: noise figure≤3 dB, image rejection≥50 dB, transmit leakage amplitude into -10～0 dBm scope, and output pulse power≥30 W. The module has been used in a certain radar. The result shows the module has stable performance and very strong practical significance.

T/R module; noise figure; image rejection; transmit leakage amplitude; output pulse power

2016- 10- 071

李翔(1984-)，女，碩士，工程師。研究方向：微波毫米波電路設計。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.027

TN957.5

A

1007-7820(2017)06-099-03