毫米波彈載多通道收發前端設計

文/花婷婷

毫米波彈載多通道收發前端設計

文/花婷婷

本文介紹了一種毫米波彈載五通道集成收發前端的主要構成和技術要點，基于小型化的設計思想，詳細闡述了各主要關鍵部件前置低噪放、二次變頻通道、本振功分和電源及控制等電路設計和結構布局。完成的收發前端具有接收高增益、低噪聲、發射功率大及集成度高的特點。

Ka波段 收發前端 小型化 多通道

1 引言

毫米波頻段具有頻帶寬，波長短，抗干擾能力強，波束窄，容量大和保密性能好等優點，特別適用于精確制導系統。借助于成熟發展的MMIC 技術, 可以更好實現信道的集成化、小型化, 更適合于彈載等高集成環境下使用。

本文設計的毫米波多通道收發前端是彈載導引頭的核心部件之一，其性能指標決定了導引頭整機作戰性能，它主要完成四路毫米波信號的接收、下變頻放大至中頻輸出，和一路上變頻發射激勵。本文圍繞收發前端各功能組成展開，同時由于彈載有效載荷空間的限制，對整個導引頭包括五通道收發前端的重量和體積提出了更為嚴苛的指標，大大增加了設計難度。

2 方案設計

2.1 工作原理

五通道的毫米波收發前端原理框圖如圖1所示。它包括四路完全相同的下變頻接收通道、一路上變頻發射通道和收發共用的兩個本振功分網絡。其中，發射通道接收來自波形產生的L波段信號，將其上變頻至Ka波段的發射頻率，放大后送給發射功放，輸出功率經天線輻射在空間形成大功率發射信號；Ka波段回波信號經天線接收送到四路接收通道中，經前置低噪放放大后送入二次下變頻通道變為L波段信號送數字處理。除上述射頻功能外，五通道的收發前端還應包括低頻控制電路和電源分配電路，負責給五個射頻通道提供控制電平、電源驅動等功能。

2.2 結構布局

本文設計的五通道收發前端利用疊層結構、立體布局實現小尺寸高集成。小型化五通道收發前端電路結構平面布局如圖2，結構腔體正面為四個接收下變頻通道和一個發射上變頻通道，射頻通道背面對應相應的電源濾波電路及控制電路，對應電源及控制接口由絕緣子傳輸。一本振功分電路考慮到頻率很高，布局置于射頻變頻通道同面，保證其駐波及損耗特性。二本振功分電路頻率相對較低，置于變頻通道背面，通過射頻垂直過渡結構，回傳至變頻通道。為避免各通道之間的相互影響，提高通道之間的隔離度，在各通道之間設置了金屬隔板進行屏蔽。收發通道結構上采用直尺分布、回轉隔腔布局，實現高密度集成。

3 工程實現及關鍵技術的解決

3.1 前置低噪放

由多級器件噪聲系數公式可知, 前級放大器的噪聲系數決定了整個接收系統的噪聲系數, 而放大器較高的增益可以削弱后級電路對噪聲系數的影響。Ka波段前置低噪放模塊主要由波導-微帶轉換、限幅器、毫米波低噪聲放大器及保護開關等組成，一般設計為雙平衡結構，原理圖如圖3所示。輸入端采用低損耗的90度3dB電橋。由于雙路回波反射在隔離口抵消，天線單元與限幅低噪放輸入失配得到很大改善，從而消除了回波反射損耗。同時雙路工作降低了限幅器耐功率指標，也大大提高了系統可靠性。該前置低噪放模塊的小信號增益設計為20dB，輸出P-1為10dBm，限幅器的耐功率設計為20W。

3.2 二次變頻通道

由于系統工作在Ka波段，接收信號的頻率較高，而高精度數字采集的中頻頻率很低。變頻方案的選擇對系統實現至關重要。采用一次變頻方案時，鏡像頻率、本振頻率和射頻頻率離得很近，使得一次鏡像抑制無法達到系統要求。三次變頻方案固然可以帶來接收機的高性能，但是帶來了設備體積、功耗的增大及整機復雜性的提高，不利于彈載高集成環境應用。綜合以上因素，本文設計采用優化的兩次變頻方案。中頻選擇與最新AD/DA技術成果匹配的L波段信號，實現模擬中頻濾波高鏡像抑制，同時滿足SAR成像對數字接收高信噪比要求。一本振采取11跳點，間隔100MHz，二本振采取2跳點，間隔50M。一、二本振雙重跳頻技術的使用，降低了一本振設計難度，使得整個系統獲得更優良的技術指標。

完整的單通道接收前端原理框圖如圖4。整個接收前端分為兩部分，即前置低噪放模塊和二次下變頻接收通道，低噪放模塊的輸出與接收通道的輸入通過電纜相互連接。

發射前端與接收前端共用兩個本振信號，同時也共用混頻器和濾波器，降低了系統復雜度，也有利于收發前端的小型化。

圖1：毫米波五通道收發前端原理框圖

（a）正面

圖2：小型化五通道收發前端電路結構平面布局圖

3.3 本振功分電路

毫米波彈載多通道收發前端的一本振頻率較高為Ka波段，此時微帶線尺寸和腔體效應所帶來的影響已不能忽略不計了。系統通過在微波波段鎖相混頻得Ku波段基頻信號，然后通過功分電路進入五個收發通道后再分別倍頻、放大到Ka波段。二本振信號頻率較低為C波段，則直接通過功分電路分配至五個收發通道。

圖3：Ka波段平衡式限幅低噪放原理框圖

圖4：接收前端原理框圖

圖5：串并轉換的功能框圖

本振信號經功分電路分為五路進入收發通道，其中四路接收通道的本振功率應該相同。考慮到本振功分電路體積的限制，功分電路全部由功分芯片實現，本振信號先經過一個三路功分器分為三路，一路直接進入發射通道，另外兩路分別經過一個二路功分器再一分二變為四路分別進入四個接收通道。

3.4 電源及控制電路

收發前端背面的低頻電源與控制電路主要完成DC/DC變換、加電保護和通道數控衰減器控制碼串并轉換的功能。串并轉換模塊是采用CMOS工藝制造的單片集成電路，實現將單路差分串行輸入數據轉換為8位并行數據輸出，并帶有±15mA的輸出驅動能力。其功能框圖如圖5所示。

電源分配濾波電路主要用于將外部供電分配至通道有源器件對應饋電絕緣子處以及對電源網絡中干擾信號的濾除。在交直流信號疊加的電路中濾除交流分量而保留直流分量，主要由電容、電感、磁珠等無源器件組合而成。濾波器件電感、磁珠串接，而另一種濾波器件電容的兩極則分別并聯和接地，構成濾波旁路。

3 測試結果

對該Ka波段收發前端進行測試,可達到的指標如下：

接收增益：≥60dB；

噪聲系數：≤6.5dB；

多路間隔離度：≥40dB；

發射功率：≥16dBm；

發射雜波抑制度：≥40dBc；

五通道收發前端結構尺寸：≤110mm×115mm×23mm。

4 結論

本文基于毫米波彈載平臺的系統要求，采用收發共用優化的二次變頻體制，設計出了一種高性能、多通道、輕小型的Ka波段收發前端。本文重點闡述了組成收發前端的各功能部件，分析了影響收發前端關鍵指標的多種因素,采取相應優化措施并準確設計關鍵電路,通過測試結果可知各個指標均滿足設計要求。優化措施及設計方法同樣適用于其它毫米波頻段的收發前端設計。

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作者單位 中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088

花婷婷（1987-），女，江蘇省東臺市人。博士學位。工程師。主要研究方向為微波固態電路及收發系統。