L 波段机载收发信机设计

2015-03-06吴亮亮

电子科技 2015年8期

吴亮亮

(中国电子科技集团公司13 所第17 专业部，河北石家庄 050051)

随着电子技术和航空通信的不断发展，机载设备性能的优劣已成为现代飞机先进与否的重要标志之一。为了最大限度增加飞机的有效载荷和续航能力，要求机载设备体积小、重量轻、功耗小。收发信机作为重要的机载设备之一，是遥控数据及图像数据的主要传输通信工具，其质量影响系统的通信效果，对整个系统动态性能起到关键作用［1－2］。针对机载设备要求，本文给出了一种外形尺寸仅为65 mm×65 mm×20 mm，重量仅130 g 的L 波段收发信机的实现方法。

1 设计原理和构成方案

收发信机［3－5］主要由发射通道、接收通道和本振源等组成，原理框图如图1 所示。发射通道的主要作用是将输入的中频信号变频至射频信号，再进行放大滤波等处理，使信号达到一定功率输出。采用一次上变频的方式，主要由滤波器、混频器、推动级放大器、末级功率放大器等组成。

接收通道的主要作用是从空间接收到的电磁波中选出有用信号，变频至中频信号并放大滤波输出。采用一次下变频的方式，主要由滤波器、低噪声放大器、混频器、AGC 放大器等组成。本振源的主要作用是为发射通道和接收通道提供混频所需的本振信号，主要由晶振、频率锁相源、单片机等组成。

发射通道和接收通道共用天线口，通过TTL 电平控制收发开关实现分时工作，发射占空比为25%。当发射通道工作时，信号先进入中频开关，其主要作用是控制发射信号的通断，同时对接收信号有一定的隔离。之后信号上变频至射频信号，通过推动放大进入末级放大器输出功率，最终经过收发开关输出到天线口;当接收通道工作时，信号先经过收发开关进入限幅器，其作用主要是抗大功率烧毁。之后进入预选滤波器，对信号选频，保证信号工作带宽及带外抑制要求。再经低噪声放大，混频滤波至中频信号，最后AGC 放大输出。

图1 收发组件原理框图

2 电路优化设计

2.1 发射通道设计

发射通道的主要指标是发射功率、三阶互调、带内平坦度等。通过选取合适的器件及电路布局，以满足指标要求。

(1)发射功率的实现［6］。射通道推动级放大电路由2 级放大器组成，前级放大器为宽带放大单片，后级放大器选取富士通公司的中功率砷化镓功率管FLL107ME，其1 dB 压缩点为29.5 dBm，满足末级放大器的推动需求。末级放大器选取富士通公司的大功率砷化镓功率管FLL120MK，其1 dB 压缩点为40 dBm，满足发射通道功率输出要求。FLL120MK 功率增益曲线如图2 所示。

图2 FLL120MK 功率增益曲线

(2)三阶互调的实现。通常情况下，如果功放链增益不高，功率放大器在1 dB 压缩点输出的三阶互调约为－18 dBc，发射通道的推动级放大器和末级放大器均工作在1 dB 压缩点以下，满足三阶互调指标。

(3)带内平坦度的实现。发射通道的前级均为宽带器件，带内平坦度主要由混频后的射频滤波器及后两级富士通功率管决定。通过选取合适的滤波器及调整功率管的匹配，使带内平坦度满足使用要求。

(4)电源控制电路。发射电路选用砷化镓功率管，其工作时要求先加负压再加正压。在功放的电源部分加入时序电路，防止负压没有加上而导致瞬态电流过大烧毁功率管或引起电源过流保护。在电源部分加入TTL 调制电路，通过高低电平控制功放正压的通断，配合输入端的单刀单掷开关及输出端的单刀双掷开关，实现收发隔离及切换。电源控制电路如图3 所示。

图3 电源控制电路原理图

2.2 接收通道设计

在接收通道的设计中，增益、噪声系数、收发隔离、动态范围等都是重要指标，低噪声放大单元和AGC 放大单元的设计是系统设计的重点［7］。

(1)低噪声放大单元。系统的前几级决定了噪声系数的大小，因此低噪声部分设计时，合理地选择元器件、分配噪声和增益，尤为重要。收发切换开关作为接收通道的第一级，要求具有较小的插损，同时其作为发射通道的最后一级，也必须具有高隔离度及通过大信号的能力。限幅器及预选滤波器在满足电性能指标和体积要求的情况下，也应使插损尽可能的小。低噪声放大器必须具备高增益低噪声的性能，接收通道选用万通公司的低噪声放大器WHM14－3020AE，噪声系数＜0.5，增益为31 dB。

(2)AGC 放大单元［8－9］。AGC 放大单元选用2 片AD 公司的AD8367 级联实现。AD8367 是一个兼有VGA(压控放大)和AGC(自动增益控制放大)功能的可变增益中频放大器，可在DC ～500 MHz 范围内稳定工作，最大增益可达42.5 dB，具有45 dB 可控范围。相比传统电路，AD8367 在实现AGC 功能时利用自身的平方根检波器检波控制，省去了耦合器、检波器等外围电路。

两级AD8367 级联实现AGC 功能一般有两种电路连接方式:一种是利用内置检波器构成AGC 电路。级联时，前级工作于VGA 模式，后级工作于AGC 模式，后级的检波输出电平作为两级共同的增益控制输入;另一种是利用外部检波器构成AGC 电路。级联时两级均工作在VGA 模式，外部检波电路给出的检波电平控制两级的增益，闭环形成AGC 功能。两种工作方式如图4 和图5 所示。

图4 内置检波级联方式

图5 外部检波级联方式

两种连接方式各有优缺点。第一种方式电路简单、AGC 响应时间快，但由于第二级内部检测的实际上是信号加噪声的功率，在信号本身功率小，噪声带宽又很宽的情况下，AGC 对信号功率估测误差偏大，导致AGC 调整不够准确;第二种方式可对信号进行滤噪处理，AGC 控制精确，但由于增加外部电路，电路结构较第一种复杂，且AGC 响应时间长。考虑到整机体积及AGC 动态范围并不高，这里选用第一种连接方式。

AD8367 输入阻抗为200 Ω，当输入匹配时，输出级是一个低输出电压缓冲器，具有50 Ω 阻抗。当阻抗不匹配时，会引起较大的驻波和反射损耗，降低动态控制范围，甚至容易发生自激。AD 公司推荐的电阻匹配方式如图6 所示。

图6 AD8367 采用电阻网络匹配

但实际应用中，这种方式会产生较大的插损，约为11 dB。AD8367 的小信号增益为42.5 dB，可计算级联的增益为

由式(1)可知，AGC 动态范围达不到65 dB 以上。这里采用1∶4 的阻抗变换器，实现50 ～200 Ω 的变换，如图7 所示。

图7 AD8367 采用阻抗变换器匹配

实际测得变换插损约5 dB，可计算级联的增益为

由式(2)可知，AGC 动态范围可达65 dB 以上，且实测时无自激现象。

2.3 本振源设计

本振源［10］在整个收发信机中有着重要的作用，本振信号的相位噪声直接决定了整机的相位噪声，本振信号的频率稳定度和准确度直接决定了整机的频率稳定度和准确度。

根据收发信机的需要，本振源产生一个带宽100 MHz，步进1 MHz 的L 波段信号，功分两路提供给发射通道和接收通道。本振源由10 MHz 温补晶振、跳频锁相源及单片机组成。10 MHz 温补晶振为跳频锁相源提供参考信号，在－40 ～+60 ℃工作温度下，其频率稳定度＜±1 ppm。跳频锁相源采用ADF4107 锁相芯片，三线串口置数。单片机控制频率步进，同时对接收通道AGC 电压采样处理，反馈给终端设备。本振信号的相位噪声指标为－95 dBc@1 kHz。

3 测试结果及分析

根据以上设计方案，研制出了L 波段收发信机。测试结果如表1 所示，收发信机的测试结果较为理想，符合技术要求。但考虑到现代无线收发系统的快速发展，技术要求的不断提高，拟对部分电路进行改进。其中，为提高接收通道的动态范围，在AGC 放大之前可考虑增加抑制度更高的声表滤波器，以降低带内噪声功率，提高AGC 检测的灵敏度;发射通道的输出功率＞6 W，发射占空比为25%，目前功率管采用直接螺钉紧固在盒体上的方式散热。若要进一步提高输出功率或加大发射占空比，以提高飞行通信距离，则需进一步考虑散热措施，以保证整机长时间的稳定工作。此外，现代飞机尤其是小型飞机的应用范围越来越广泛，工作的电磁环境越来越复杂，可通过提高预选滤波器及中频滤波器的带外抑制度，来实现更强的抗干扰能力。