一種小型化Ka波段收發(fā)組件的設(shè)計

楊玉章，郭艷敏，陳丹

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊，050051）

0 引言

隨著毫米波在射頻前端的廣泛應(yīng)用，毫米波收發(fā)組件的發(fā)展也越來越受到研究人員的重視，目前毫米波收發(fā)組件發(fā)展的熱點是小型化和高性能[1][2]。

本文通過對整機需求的分析和論證，設(shè)計了一種小型化的Ka波段收發(fā)組件。收發(fā)組件包括4個接收通道和1個發(fā)射通道，并且集成了頻綜單元。

1 收發(fā)組件工作原理和功能組成

Ka波段收發(fā)組件在結(jié)構(gòu)功能上由以下5部分組成：信號接收單元、校準單元、信號發(fā)射單元、頻綜單元、電源及控制單元。原理框圖如圖1所示。

圖1 Ka波段收發(fā)組件原理框圖

信號接收單元包括4路接收通道，其中1路接收通道與發(fā)射通道通過環(huán)形器共用射頻接口，其余3路接收通道均只有接收功能，并且電路結(jié)構(gòu)相同。接收通道采用一次下變頻結(jié)構(gòu)，將接收到的信號下變頻至中頻供整機使用。

校準單元主要包括開關(guān)、放大器和功分器等。主要功能是將頻綜單元產(chǎn)生的校準信號放大后功分至4路接收通道。

信號發(fā)射單元共有1路發(fā)射通道，包括一級低噪聲放大器、一級驅(qū)動放大器和一級功率放大器。發(fā)射通道功能是將頻綜單元提供的主振信號放大發(fā)射出去。發(fā)射通道中的功放最長工作時間不超過60秒，采用脈沖調(diào)制的方式工作且占空比可調(diào)，功放最終輸出脈沖峰值功率為13W。

頻綜單元主要包括晶振、數(shù)字頻率合成器（DDS）和點頻源等部分。晶振為頻綜內(nèi)各個單元提供參考信號同時為雷達整機提供時鐘信號。DDS為頻綜單元的快速調(diào)頻提供激勵信號。

頻綜單元的原理框圖如圖2所示。本振信號由DDS和點頻源1混頻產(chǎn)生的信號再與點頻源2混頻產(chǎn)生，作為接收通道的本振信號。主振信號由跳頻源1與點頻源1混頻產(chǎn)生的信號再與點頻源2混頻產(chǎn)生，作為發(fā)射通道的主振信號。校準信號由跳頻源2和點頻源2直接混頻產(chǎn)生，作為接收通道的校準信號。跳頻源1、跳頻源2、點頻源1、點頻源2均通過鎖相環(huán)產(chǎn)生，參考信號均為晶振功分產(chǎn)生。

圖2 頻綜單元的原理框圖

電源及控制單元包括一級DC—DC穩(wěn)壓模塊，多級線性穩(wěn)壓器、單片機、FPGA等電源及控制器件。電源部分為組件提供電源處理、饋電網(wǎng)絡(luò)。控制部分實現(xiàn)整機與組件的串口通信并對組件內(nèi)部的各單元工作進行時序控制。

2 Ka波段組件指標設(shè)計及優(yōu)化

2.1 接收通道鏈路

接收通道的原理圖如圖3所示，除收發(fā)共用的通道外，3路接收通道電路結(jié)構(gòu)上一致，具有限幅、校準、信號切換以及增益控制功能。收發(fā)共用通道比其他3路接收通道在結(jié)構(gòu)上多一級環(huán)形器。

圖3 接收通道原理圖

為滿足整機對組件的抗燒毀要求，在接收通道的前端增加一級限幅器。通過切換通道前端的單刀雙擲開關(guān)可以選擇接收通道工作在校準模式還是接收模式。同時，為了保證接收通道的動態(tài)，分別在射頻段和中頻段增加了一級數(shù)控衰減器，最終可以在5dB步進衰減的基礎(chǔ)上實現(xiàn)80dB的最大衰減量。在射頻段還增加了一級MEMS濾波器，用來濾除帶外的干擾信號和鏡像頻率。

接收通道1～3的變頻增益要求為80dB，綜合考慮通道的噪聲系數(shù)、動態(tài)范圍等要求，射頻部分采用兩級低噪聲放大器（LNA）實現(xiàn)，射頻凈增益約為24dB，其余56dB增益分配在中頻段，采用4級單片放大器實現(xiàn)。設(shè)計結(jié)果如表1所示，增益為80dB，噪聲約為5.4dB。

表1 接收通道1～3鏈路增益分配和噪聲計算

表1（續(xù)） 接收通道1～3鏈路增益分配和噪聲計算

接收通道4除在校準開關(guān)和波導(dǎo)轉(zhuǎn)換之間增加一級環(huán)形器外，其余部分與接收通道1～3電路結(jié)構(gòu)一致，環(huán)形器的差損約為0.5dB，因此接收通道4增益約為79.5dB，噪聲約為5.9dB。因此1～4路接收通道的噪聲系數(shù)均可以滿足不大于7.5dB的指標要求。

此外，為防止信號之間的串擾，還必須考慮4路接收通道間的隔離度。信號之間串擾主要是通過共用的本振、電源線和控制線之間的串擾。為增加通道之間的隔離度，接收通道的本振采用先功分后放大的方式，這樣各本振支路上的放大器可以增加本振信號的隔離度。此外通過增加電感、電容等方式增加電源線和控制線之間的隔離，可以滿足通道間隔離度不小于50dB的要求。

2.2 發(fā)射通道頂降和調(diào)制開關(guān)的前后沿

發(fā)射機脈沖理論上矩形是最佳的，但是實際中多為鐘形脈沖，因此需要大的儲能電容，可以滿足功率管在工作狀態(tài)下的瞬間大電流需要。所需儲能電容的容量，可由下式估算[3]：

其中△V可近似等于V×電壓頂降。

功放電流的峰值電流為3.75A，工作電壓24V，最大脈寬80us，脈沖頂降按參照10%設(shè)計，需要的電容量為C＝3.75×80/(24×10%)＝125uF，因此在功率芯片附近采用3只68uF共204uF鉭電解電容并聯(lián)即可滿足指標要求。

發(fā)射機的開關(guān)機脈沖前后沿主要與功放電源的驅(qū)動有關(guān)，選用一款國內(nèi)生產(chǎn)的驅(qū)動器，具體指標如圖4所示。

圖4 功放芯片驅(qū)動的前后沿

經(jīng)實際測試功放的上升和下降時間分別為37ns和18ns。

2.3 本振信號的低相噪設(shè)計

本振源由DDS頻綜與S波段點頻源混頻后，再與Ku波段點頻源混頻產(chǎn)生，相噪由DDS相噪，S波段相噪和Ku波段點頻源倍頻后的相噪，及混頻后的相噪共同決定。

S波段點頻源采用鎖相環(huán)實現(xiàn)，器件底噪為：-228dBc/Hz，鑒相頻率20MHz，環(huán)路帶寬100KHz；

根據(jù)器件噪底公式[4]計算，基于鑒相器的的相噪為：

根據(jù)晶振惡化的公式計算[5]，基于晶振的相噪為：

綜合器件底噪和晶振的影響并考慮到工程惡化，S波段點頻信號的相位噪聲可達-109dBc/Hz@10kHz。

DDS相位噪聲由DDS時鐘參考信號決定，DDS時鐘參考信號由S波段點頻源提供，其相位噪聲為-109dBc/Hz@10kHz。DDS輸出頻率最大為650MHz，根據(jù)DDS輸出信號與時鐘參考信號的頻率關(guān)系，則DDS輸出相噪為：

DDS和S波段點頻源混頻后的相噪為：-108dBc/Hz@10kHz。

Ku波段點頻源采用PDRO實現(xiàn)，其相噪為：-103dBc/Hz@10kHz，因此二倍頻后的相噪[6]為-97dBc/Hz@10kHz。

本振輸出相位噪聲由DDS和S波段點頻源混頻后的相噪，諧波混頻后的相位噪聲共同決定；DDS和S波段點頻源混頻后的相噪為：-108dBc/Hz@10kHz，Ku波段點頻源二倍頻后的相噪為-97dBc/Hz@10kHz，則本振的相位噪聲為-96dBc/Hz@10kHz，滿足≤-93dBc/Hz@10kHz的指標要求。

2.4 主振信號的低相噪設(shè)計

主振源由P波段頻綜與S波段點頻源混頻后，再與Ku波段點頻源混頻產(chǎn)生。相噪由P波段頻綜相噪，S波段點頻源相噪和Ku波段點頻源倍頻后的相噪，及混頻后的相噪共同決定。

P波段頻綜源和S波段點頻源采用鎖相環(huán)實現(xiàn)，Ku波段點頻源采用PDRO實現(xiàn)，采用與本振源相同的方法計算，因此可以得出主振的相位噪聲為-96dBc/Hz@10kHz，滿足≤-93dBc/Hz@10kHz的指標要求。

圖5 功放工作后熱量分布圖

2.5 接收機的熱設(shè)計

收發(fā)組件的體積較小且功能多，因此散熱要求很高。為保證收發(fā)組件的正常工作，采取了以下措施：

（1）進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用ANSYS軟件對盒體進行熱仿真，將散熱量大的部分采用熱接觸的方式進行散熱，并盡量擴大接觸面。

（2）在電路設(shè)計時，考慮散熱，優(yōu)先選用功耗小的元器件。

（3）發(fā)熱量大的元器件盡量分散開，避免熱源集中，為電路板上的散熱元器件設(shè)計導(dǎo)熱通孔。

通過以上3方面措施的改進后，經(jīng)仿真可以看出，組件工作60秒后，最高溫度約為114°，不會燒毀芯片，因此組件可以正常使用。

圖6 組件工作60秒后組件溫升圖

3 研制工藝及測試結(jié)果

收發(fā)組件的功能復(fù)雜，體積較小（?67mm*90mm），所以在接收機結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮合理布局，并盡量采用芯片，配合小型化工藝，最大限度的減小組件的體積。

為滿足高頻接收組件的使用環(huán)境要求，盒體采用了防銹鋁材料，表面為白氧化處理，采用局部鍍金工藝處理，射頻部分腔體盒蓋采用激光封焊工藝，對內(nèi)部芯片器件起到保護作用。

表2 收發(fā)組件部分指標測試結(jié)果

收發(fā)組件的工藝過程為芯片共晶，金絲鍵合、基片燒結(jié)、再流焊、手工焊接、總裝等工序。表2為收發(fā)組件部分指標的測試結(jié)果，測試結(jié)果表明各項性能指標均達到了整機要求。

4 結(jié)束語

本文通過對各性能指標的分析和計算，完成了一種Ka波段收發(fā)組件的設(shè)計。在研制過程中重點分析了接收通道的鏈路增益、噪聲、發(fā)射通道的頂降、本振源和振源的相位噪聲等關(guān)鍵指標。

收發(fā)組件在完成生產(chǎn)和調(diào)試之后，經(jīng)測試各項指標與設(shè)計指標基本相符。