一種Ka波段收發組件的設計

慶 超

南京航天工業科技有限公司 江蘇 南京 210000

1 引言

一般把波長在1～10mm,對應頻率30～300GHz的電磁波稱作毫米波。該頻段的電磁波向下既鄰接厘米波頻段,向上又靠近紅外光波頻段,既有一定的穿透性能,有擁有高分辨率的特性。毫米波會與空氣中的氧氣分子和水分子產生諧振,在特定頻段會被選擇性的吸收。在22GHz,60GHz,120GHz和183GHz頻點附近,毫米波會被明顯吸收,傳播時產生較大衰減,而在35GHz,94GHz,140GHz和220GHz頻點附近則存在四個吸收較小的頻段,在這些頻段內,毫米波可以被有效的利用[1]。因其具有良好的抗干擾、反隱身、反突防等特點,被廣泛用于電子對抗,雷達通信等領域。本文介紹了一種位于毫米波Ka波段的收發組件設計方法。

2 技術指標要求

接收組件主要技術指標如下:

a)輸入信號:32～38GHz,功率:-60～0d Bm;

b)輸出信號:1.4～2.4GHz,飽和輸出功率:-8～-5dBm;

c)接收靈敏度:≤-60dBm;

d)噪聲系數:≤7d B;

e)帶內雜散:≤-55dBc;

f)瞬時動態:40d B;

發射組件主要技術指標如下:

a)輸入信號:1.4～2.4GHz,功率:-20±2d Bm;

b)輸出信號:32～38d Bm,功率:10±1.5d Bm;

c)帶內雜散:≤-55d Bc;

d)功率控制范圍:60dB,步進1dB。

3 組成及原理

本文介紹的Ka波段收發組件分為接收通道、發射通道和本振模塊。接收通道從天線接收毫米波信號,通過限幅、濾波、放大、變頻、功分、檢波等處理后輸出分頻信號、中頻信號和同步脈沖信號,由信號處理組件進行測頻和數字信號處理。處理后的信號反饋給收發組件,控制本振模塊切換輸出頻率,并切換發射通道中開關濾波組的濾波頻段,中頻信號經過處理通過發射通道放大、變頻、濾波后發射出去。各通道分別采用模塊化設計,增加通道間隔離度,減小通道間的相互干擾。工作原理框圖如圖1所示。

圖1 收發組件工作原理框圖

4 電路設計方案

收發組件電路原理框圖如圖2所示。

圖2 收發組件電路原理框圖

接收通道采用了高/低兩種接收狀態,通過單刀雙擲開關進行切換,以此滿足接收信號-60～0dBm的動態范圍要求。接收小信號時,將開關切到有低噪聲放大器的通道,根據接收機靈敏度的公式計算:

S min=-114d Bm/MHz+10*lg BW+NF+SNR

其中BW為信號帶寬6000MHz,NF為噪聲系數7dB,SNR為最小信噪比3dB。理論上的接收靈敏度為-67dBm,可以滿足接收靈敏度≤-60dBm的要求。在大信號輸入時,開關則切換到直通通道,可以避免放大器過度飽和,影響接收通道的線性動態范圍。

接收通道的噪聲系數公式為:

由此可知,越靠前的器件對鏈路的噪聲系數影響越大,設計時盡可能選擇插損小的限幅器和濾波器,低噪聲放大器也在滿足性能指標的前提下,選擇噪聲系數小的型號。

收發組件采用了二次變頻,一本振為固定本振,二本振為可變本振。接收通道將32～38GHz信號搬移到1.4～2.4GHz頻段一本振為26GHz。固定頻率,接收信號先和一本振混頻,下變頻到6～12GHz,之后功分為兩路。一路經過分頻電路得到375～750MHz信號,提供給信號處理組件測頻,得到接收信號頻率,據此選擇二本振信號頻率和發射通道的開關濾波組的濾波頻段;另一路與二本振混頻,下變頻得到1.4～2.4GHz中頻信號,其中二本振信號頻率為8.4～13.4GHz,步進0.5GHz,通過切換本振信號頻率,壓縮中頻信號帶寬。頻率對應關系見表1。

表1 收發組件變頻頻率關系表

發射通道與接收通道共用本振信號,減少頻綜組件的頻率源數量,降低成本的同時也便于控制。由于一次混頻后的中頻信號頻段為6～12GHz,與二本振有重疊部分,因此使用開關濾波組分段濾波,抑制由與本振泄露產生的雜散,濾波頻段根據信號處理組件的測頻結果進行切換。末級采用P1d B為20dBm的Ga As功率放大器,保證放大器工作在線性區域,既能滿足發射通道輸出功率的要求,也可以通過數控衰減器對輸出功率進行控制,保證60d B的控制范圍。

5 電路仿真

采用AppCAD軟件對接收通道的噪聲系數進行計算,如圖3所示,仿真結果顯示接收通道的噪聲系數為6.53d B,滿足指標要求。

圖3 接收鏈路噪聲系數仿真

利用ADS對鏈路的諧波進行仿真,接收通道鏈路仿真如圖4所示,發射通道鏈路仿真如圖5所示。

圖4 接收通道鏈路仿真

圖5 發射通道鏈路仿真

圖6顯示了輸入32.5GHz、33.5GHz、34.5GHz、35.5GHz、36.5GHz、37.5GHz時的中頻輸出結果。由圖可知,由本振泄露和交調信號造成的雜散功率遠小于中頻信號功率,能夠滿足雜散抑制≤-55dBc的要求。圖7顯示了發射通道輸出不同頻率的結果,均滿足雜散抑制≤-55d Bc的要求。

圖6 接收通道諧波仿真結果

圖7 發射通道諧波仿真結果

6 結束語

本文提出了一種毫米波頻段收發組件的設計方法,采用二次變頻和調頻本振的方式,接收通道將寬帶毫米波信號下變頻成便于處理的中頻基帶信號,發射通道將基帶信號上變頻為毫米波信號。經測試性能良好,滿足指標要求。該組件可應用于雷達、通信、電子對抗等多中場景,具有一定工程參考價值。