王 毅

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

0 引言

盡管光纖通信具有非常大的數(shù)據(jù)容量，但光纖的架設(shè)成本往往較高，尤其是在偏僻山區(qū)和臨時(shí)場(chǎng)館[1]。微波無(wú)線通信在較多的場(chǎng)景可以取代光纖通信進(jìn)行大容量傳輸，具有架設(shè)方便、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。射頻收發(fā)前端作為微波無(wú)線通信系統(tǒng)的核心部件，隨著系統(tǒng)的不斷演進(jìn)[2-3]，向著小型化、輕量化、低功耗、多功能、高可靠性和低成本等方向發(fā)展[4-7]。

近年來(lái)，有一些研究嘗試采用二次變頻超外差體制結(jié)合LTCC 或硅基三維集成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)[8-9]，但是存在成本和工藝的問(wèn)題。本文綜合考慮性能、工藝、成本等因素，采用微波多層板實(shí)現(xiàn)了一種緊湊型、低成本超薄平板K 波段收發(fā)前端。所有器件選用SMT 封裝的表面貼裝芯片，微波板選用廉價(jià)的羅杰斯硬基片。該收發(fā)前端采用頻分復(fù)用（FDD）全雙工的工作方式，最終要實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)為：接收通道噪聲系數(shù)優(yōu)于6 dB，能夠接收-60 dBm～-20 dBm 的射頻信號(hào)；發(fā)射通道能夠輸出平均功率為20 dBm 的射頻信號(hào)。

1 收發(fā)前端架構(gòu)設(shè)計(jì)

K 波段收發(fā)前端根據(jù)功能可劃分為3 個(gè)部分：接收通道、發(fā)射通道和本振源。收發(fā)前端組件的左側(cè)為接收通道電路，右側(cè)則為發(fā)射通道電路。4 個(gè)本振源位于正中，被收發(fā)通道所環(huán)繞，簡(jiǎn)化了本振信號(hào)的走線設(shè)計(jì)。

1.1 接收通道

接收通道采用了二次變頻超外差架構(gòu)，組成框圖如圖1 所示。

圖1 接收通道組成框圖

為了抑制鏡像頻率，常采用鏡像抑制濾波器或者鏡像抑制下變頻器。本文通過(guò)構(gòu)造Hartley 架構(gòu)的變頻器來(lái)進(jìn)行鏡像抑制[10]，輸入端省掉了一級(jí)鏡像抑制濾波器，有效降低了接收機(jī)噪聲系數(shù)。選用的IQ 下變頻器為HMC904LC5，將K 波段射頻輸入信號(hào)下變頻至2.9 GHz。HMC904LC5 內(nèi)部集成了一級(jí)低噪放和二倍頻器，其噪聲系數(shù)小于3 dB，變頻增益大于12 dB。通過(guò)90°電橋，USB 或LSB 的單邊帶信號(hào)被選中，另外一種會(huì)得到抑制。第一中頻鏈路上放置了一級(jí)壓控衰減器(VVA)，可根據(jù)輸入信號(hào)大小進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。第二中頻輸出端采用可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)、耦合器、檢波器構(gòu)造了數(shù)字自動(dòng)增益控制電路(AGC)，可使中頻輸出功率保持恒定。

1.2 發(fā)射通道

與接收通道類似，發(fā)射通道采用了二次上變頻發(fā)射架構(gòu)，相比直接變頻架構(gòu)，能更容易濾除無(wú)用信號(hào)和雜散，也利于增益的分配。發(fā)射通道組成框圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射通道組成框圖

4 路I/Q 基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)正交調(diào)制器后變頻至3.4 GHz的中頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波放大后進(jìn)行第二次上變頻。在中頻鏈路和射頻鏈路上各放置了一級(jí)壓控衰減器，通過(guò)調(diào)節(jié)衰減值，使射頻信號(hào)獲得較合適的輸出功率電平和較好的信號(hào)質(zhì)量。中頻鏈路上的檢波器將檢波電壓反饋至基帶處理設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)I/Q 校準(zhǔn)并抑制本振泄露。

1.3 本振源

4 個(gè)本振源均采用基本鎖相環(huán)（PLL）進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照頻率大小劃分為2 類：S 頻段本振和X 頻段本振。每一類中2 個(gè)本振均采用相同的架構(gòu)和電路設(shè)計(jì)，僅僅在鎖相芯片的寄存器配置上有所差別。

2 電路設(shè)計(jì)及性能分析

2.1 關(guān)鍵無(wú)源電路設(shè)計(jì)

K 波段射頻信號(hào)對(duì)外接口為WR-42 矩形波導(dǎo)，需要設(shè)計(jì)微帶到波導(dǎo)的過(guò)渡電路。常見(jiàn)的過(guò)渡方式主要包括3 種，分別為波導(dǎo)-脊波導(dǎo)過(guò)渡、波導(dǎo)-鰭線過(guò)渡、波導(dǎo)-微帶探針過(guò)渡。本文選擇了具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過(guò)渡性好、插入損耗小、頻帶寬特性的E 面探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)模型及實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3 所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，在工作頻帶內(nèi)，插入損耗小于1.6 dB，回波損耗大于15 dB，滿足組件使用要求。

圖3 微帶-波導(dǎo)過(guò)渡設(shè)計(jì)模型及實(shí)測(cè)結(jié)果

發(fā)射通道為抑制第二次變頻后的交調(diào)和本振泄露信號(hào)，在變頻器后需要放置一級(jí)帶通濾波器。采用七階平行耦合線濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)模型和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4 所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，1 dB 帶寬約為2.4 GHz，回波損耗大于10 dB，帶外抑制大于35 dB@20.2 GHz，滿足組件使用要求。

圖4 平行耦合線濾波器設(shè)計(jì)模型及測(cè)試結(jié)果

2.2 關(guān)鍵有源電路設(shè)計(jì)

2.2.1 K 波段放大模塊

K 波段放大模塊位于發(fā)射通道第二次變頻之后，主要由壓控衰減器、驅(qū)動(dòng)放大器、功率放大器和檢波器組成，組成框圖如圖5 所示。

圖5 K 波段放大模塊組成框圖

混頻之后的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)第一級(jí)放大器達(dá)到中等信號(hào)電平，然后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大器，最后被送至末級(jí)功放。前兩級(jí)放大器之間增加一級(jí)壓控衰減器，一是可以防止三級(jí)放大器直接級(jí)聯(lián)發(fā)生自激，二是可以調(diào)節(jié)發(fā)射輸出功率。檢波器采集的電壓信號(hào)送至基帶處理模塊，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)功率電平，適時(shí)調(diào)整壓控衰減器，使發(fā)射通道穩(wěn)定工作。

2.2.2 中頻AGC 模塊

由于接收通道接收的信號(hào)是變化的，而最后要求中頻信號(hào)輸出恒定為-10 dBm，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)AGC 電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。設(shè)計(jì)了一種數(shù)字AGC 電路模塊，主要由VVA 或VGA、檢波器、反饋環(huán)路等組成，具體組成框圖如圖6 所示。工作原理為將被檢測(cè)信號(hào)的功率與預(yù)定值功率進(jìn)行比較產(chǎn)生誤差電壓，通過(guò)負(fù)反饋，利用該誤差信號(hào)控制可變壓控衰減器或可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆?，最終使被檢測(cè)信號(hào)輸出功率與預(yù)定值相等。

圖6 中頻AGC 模塊組成框圖

2.3 關(guān)鍵指標(biāo)分析

2.3.1 接收噪聲系數(shù)

由噪聲系數(shù)級(jí)聯(lián)公式可知，鏈路前幾級(jí)器件的噪聲特性決定了總的噪聲系數(shù)。射頻輸入端除了必不可少的波導(dǎo)-微帶過(guò)渡，第一級(jí)器件為集成了低噪放的IQ 下變頻器，從而保證了接收鏈路具有較小的噪聲系數(shù)。接收鏈路噪聲系數(shù)級(jí)聯(lián)仿真結(jié)果如圖7 所示，由圖可知，接收通道的噪聲系數(shù)不大于4.7 dB，滿足組件使用要求。

圖7 接收通道仿真結(jié)果

2.3.2 接收輸入功率

由圖7 仿真結(jié)果可知，接收通道線性增益為52 dB，當(dāng)輸入信號(hào)為-60 dBm 時(shí)，輸出功率為-8 dBm，接收通道工作于線性狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)為-20 dBm 的大信號(hào)時(shí)，最容易飽和的為中頻鏈路上的末級(jí)放大器。末級(jí)為中頻AGC 模塊，增益范圍為-2.5 dB～42.5 dB，輸出1 dB壓縮點(diǎn)為8.4 dBm，經(jīng)過(guò)推算到AGC 模塊輸入端的信號(hào)功率為-5 dBm，符合AGC 模塊輸入功率要求。

2.3.3 發(fā)射輸出功率

發(fā)射鏈路級(jí)聯(lián)增益仿真結(jié)果如圖8 所示，線性增益為35 dB。當(dāng)輸入I/Q 信號(hào)平均功率為-12 dBm 時(shí)，推算出末級(jí)功放的輸出功率為23 dBm，滿足指標(biāo)規(guī)定不小于20 dBm 的要求。

圖8 發(fā)射通道仿真結(jié)果

2.4 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該收發(fā)前端組件需要在有限的面積內(nèi)集成1 路接收通道、1 路發(fā)射通道、100 MHz 晶振、2 個(gè)S 本振源、2 個(gè)X本振源、電源及控制電路等。布局設(shè)計(jì)時(shí)，晶振及4 個(gè)本振模塊處于電路的中間，接收通道和發(fā)射通道信號(hào)調(diào)理電路環(huán)繞本振模塊進(jìn)行放置。接收射頻輸入和發(fā)射射頻輸出位于頂部中間位置，接收中頻輸出和發(fā)射基帶信號(hào)輸入位于底部中間位置，接收和發(fā)射的電源控制部分采用插針引出，分別位于組件底部?jī)啥宋恢谩?/p>

電路中不同信號(hào)的輻射隔離主要通過(guò)在蓋板中挖腔實(shí)現(xiàn)。蓋板上的金屬條直接壓緊在微波基片的地上，能有效防止信號(hào)間的串?dāng)_和對(duì)外輻射。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

組裝完成后的實(shí)物如圖9 所示，組件尺寸為230 mm×100 mm×8.5 mm（微帶-波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換僅供測(cè)試用，實(shí)際使用時(shí)射頻口直接與波導(dǎo)集成）。

圖9 收發(fā)前端組件實(shí)物照片

本振源的相位噪聲直接影響收發(fā)前端的性能，S 頻段本振相噪測(cè)試結(jié)果為-102.22 dBc/Hz@10 kHz，X 頻段本振相噪測(cè)試結(jié)果為-98.56 dBc/Hz@10 kHz，具體測(cè)試結(jié)果如圖10 和圖11 所示，滿足使用要求。

圖10 S 頻段本振相噪測(cè)試結(jié)果

圖11 X 頻段本振相噪測(cè)試結(jié)果

發(fā)射通道射頻輸出信號(hào)頻譜測(cè)試結(jié)果如圖12 所示，輸出信號(hào)信噪比大于53 dB，輸出功率大于20 dBm（波同轉(zhuǎn)換和測(cè)試線纜損耗為4.5 dB）。發(fā)射通道輸出1 dB 壓縮點(diǎn)大于25 dBm，在整個(gè)工作帶寬內(nèi)增益大于35 dB。輸出功率電平最大調(diào)節(jié)范圍為45 dB，調(diào)節(jié)步進(jìn)為1 dB。

圖12 發(fā)射通道射頻輸出信號(hào)測(cè)試結(jié)果

接收通道可接收信號(hào)范圍為-60 dBm～-20 dBm，輸出中頻信號(hào)功率恒定為-9.4 dBm。當(dāng)輸入信號(hào)功率為-60 dBm 時(shí)，輸出中頻信號(hào)信噪比大于37.1 dB，測(cè)試結(jié)果如圖13 所示。

圖13 接收通道中頻輸出測(cè)試結(jié)果

接收通道噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖14 所示，測(cè)試結(jié)果為9.8 dB（包含波同轉(zhuǎn)換和測(cè)試線纜損耗為4.5 dB），實(shí)際噪聲系數(shù)為5.3 dB，滿足使用要求。

圖14 接收通道噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

本文采用表面貼裝芯片加微波多層板的實(shí)現(xiàn)方式，基于二次變頻超外差結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一款K 波段緊湊型超薄平板FDD 收發(fā)前端組件，并給出了測(cè)試結(jié)果，與其余相似產(chǎn)品的對(duì)比如表1 所示。該小型化收發(fā)前端組件與已發(fā)表的同類型組件相比，內(nèi)部除了集成收發(fā)通道，還包含變頻所需的4 個(gè)本振源。

表1 相似產(chǎn)品對(duì)比

4 結(jié)論

本文討論了一種緊湊型、低成本超薄平板K 波段收發(fā)前端的實(shí)現(xiàn)方式，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的同時(shí)兼顧了經(jīng)濟(jì)性和裝配容易性。該組件適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波無(wú)線通信，具有性價(jià)比高、使用靈活的優(yōu)勢(shì)，也可拓展應(yīng)用于其他使用場(chǎng)景，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

該收發(fā)前端主要采用了表面貼裝芯片加微波多層板的實(shí)現(xiàn)方式，技術(shù)和工藝較成熟，下一步工作為基于LTCC 和MMIC 技術(shù)進(jìn)一步提高集成度，滿足更多場(chǎng)景的需求。