Ku波段多通道收发组件设计

徐森锋，吴亮亮

(中国电子科技集团公司第13研究所 科技处，石家庄 050051)



Ku波段多通道收发组件设计

徐森锋，吴亮亮

(中国电子科技集团公司第13研究所 科技处，石家庄 050051)

阐述了一种包含四路接收通道和一路发射通道的Ku波段收发组件的工作原理，并对组成的单元电路和关键技术进行了分析。试验结果表明，在2 GHz带宽和-55～+85 ℃温度下，发射通道输出功率为(31±1) dBm，带内功率平坦度≤±0.5 dB，开关隔离度≥90 dB；接收通道增益为(30±1) dB，噪声系数≤5.0 dB，通道隔离度≥60 dB。测试结果表明，方案切实可行，满足使用要求。

Ku波段；收发组件；多通道；发射通道；接收通道

收发组件是现代无线通信系统中的重要组成部分。其质量影响整个通信系统的通信效果，同时对整个系统的动态性能起到关键作用。收发组件通常由发射通道和接收通道两部分组成。发射通道的主要作用是将调制后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。发射通道的主要指标是发射功率、带内平坦度、三阶互调等；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。接收通道的主要指标是噪声系数、增益、动态范围、抗干扰能力等。多路通道还必须考虑通道之间的幅相一致性、通道隔离度等指标[1-2]。

1　设计原理和构成方案

收发组件主要包括发射通道、接收通道、DC/DC电源转换和驱动电路等单元。其中发射通道和接收通道射频电路相互独立，共用DC/DC电源转换和驱动电路。

发射通道对输入的Ku波段信号进行放大处理，电路组成包括微波开关、推动级放大器、末级功率放大器等。

接收通道[3-4]对输入的Ku波段信号进行下变频处理，包含3路主通道(1路和通道和2路差通道)和1路辅助通道。主接收通道电路组成包括波导转换、开关、低噪声放大器、混频器、中频滤波器、中频放大器等。输入采用波导，输出采用SMA接头；辅助接收通道电路组成包括限幅器、混频器、中频滤波器、中频放大器等。其中，和通道功分两路，其中一路与辅助通道在中频输出端用开关选择输出。发射和接收选通信号为LVDS差分信号，通过集成的数字处理电路转换成TTL信号，输入到驱动电路来控制发射通道和接收通道的开关。收发组件的原理框图如图1所示。

2　单元电路设计

2.1发射通道设计

(1)功率放大单元设计[5]。功率放大单元分为推动放大电路和功率输出电路。发射通道的输入功率为-1～6 dBm、输出功率为31±1 dBm，由于工作温度范围大(-55～+85 ℃)、频带宽(2 GHz)，输入功率范围较大，为保证整个通带输出功率及平坦度要求，需将末级功率放大器设计为饱和输出。因此选择了一款饱和输出功率>31.5 dBm的砷化镓放大芯片，再根据末级功率放大器的性能指标和发射通道的总增益来选择推动级放大器；

图1　收发组件原理框图

(2)开关隔离度设计。为满足≥90 dB的开关隔离度要求，末级功放采用栅极调制，实现功放的脉冲工作，达到30 dB以上的开关隔离度。同时在推动级放大器前后各增加一个砷化镓单刀单掷开关，在关断功放的同时，两个微波开关同时关断，实现70 dB以上隔离度。两者叠加可满足≥90 dB的开关隔离度；

(3)开关速度设计。开关速度主要由开关电路的延迟时间决定，包括开关驱动器延迟时间、LVDS差分转换时间以及单刀单掷开关速度。发射通道的延迟时间约40 ns。

2.2接收通道设计

(1)波导微带转换设计[6-7]。波导微带转换是接收通道的重要组成部分，其性能决定了端口的匹配效果，对接收通道的噪声指标有很大的影响。接收通道的波导口为非标准尺寸矩形波导口，转换的工作带宽为2 GHz，针对该指标采用HFSS仿真软件进行优化仿真，提高其工作性能。仿真模型及结果如图2和图3所示。

图2　波导转微带HFSS仿真模型

图3　波导转微带HFSS仿真结果

(2)消隐开关设计。射频信号经过波导转微带进入消隐开关电路。消隐开关电路采用一对单刀双掷开关，一个数控衰减器以及固定衰减器来实现三态控制(导通态、衰减态、关断态)，如图4所示。

图4　消隐开关原理框图

当处于导通态时，开关切换至低噪放一路；当处于衰减态时，开关切换至衰减一路，同时数控衰减器不衰减；当处于关断态时，开关切换至衰减一路，同时数控衰减器衰减；

(3)下变频单元设计[8]。射频信号与本振信号进行下变频混频，混频器采用镜像抑制混频器产生两路正交的中频信号，再通过正交合成器合成所需要的中频信号，同时抑制掉镜频信号，最后放大滤波输出。选用此形式的混频器具有插损小、隔离高、谐波低的优点；

(4)辅助通道设计。辅助通道的输入端为能承受1 W以上功率的限幅器。射频信号下变频至中频信号，与主路和通道功分出的一路通过开关实现选通控制；

(5)通道幅相一致性设计[9]。通道间的幅相一致性变化受多个方面因素的影响，器件、电路、匹配状态都会影响到幅相的变化量，此指标的实现主要针对以上3个方面进行设计，要保证各通道元器件的一致性、电路工艺及结构工艺的合理性和一致性。在电路设计上将接收通道的传输线尺寸设计一致，元器件安装位置相同，采用同一批次器件，保证接收通道设计的一致性来满足接收模块通道幅相一致性要求。但受器件、电路、匹配效果差异的影响，相位指标很难准确设计在某一固定值，同时该指标受工程实际因素的影响较大，以往同类产品研制结果表明：通道间的相位一致性变化一般约在20°;

(6)通道间隔离度设计。采取射频分腔隔离的方法增加射频路间隔离，中频信号隔离可通过在本振信号线上加短路线实现，同时加强电源滤波处理，防止信号串扰。

2.3电源及驱动电路设计

(1)电源设计。输入的DC电源范围较宽，需对其稳压后再提供给有源器件，通过磁环电感和电容相配合，实现共模电流抑制功能，提高电源电路的抗干扰能力；

(2)驱动电路设计。LVDS差分信号输入后通过集成的数字处理电路处理成TTL信号。该集成电路可4路同时工作，收发组件需要使用两路驱动电路，该器件满足了产品的使用要求。驱动电路将输入的四路LVDS信号转换成两路TTL信号后，分别输入到两个开关驱动电路，控制接收与发射的开关。为了减弱信号通过控制电路在接收3个主通道之间的相互串扰，对3个通道的射频开关电路采用相同但独立的控制电路，以提高路间隔离度。电路实现方式如图5所示。

图5　驱动电路原理图

3　测试结果

根据以上设计方案，研制出了Ku波段多通道收发组件。测试结果如表1所示，收发组件的测试结果比较理想，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，接收通道噪声系数主要受波导转换、开关及低噪声放大器的影响。为改善噪声系数，可对波导转换进一步优化，同时由于波导转换受机械加工精度的影响较大，可选择更精密的机械加工来提高精度。此外选择更优良性能的开关和低噪声放大器，优化级间匹配，亦可降低噪声系数；为改善发射通道输入输出驻波，可通过增加小体积的微带隔离器来实现。

表1　收发组件实测数据(-55～+85 ℃)

4　结束语

收发组件作为无线通信的关键设备之一，具有较高的研究价值。本文介绍了一种Ku波段多通道收发组件的设计，对组件的工作原理和单元电路的组成进行了阐述，对关键技术进行了分析。测试结果表明，方案切实可行，满足使用要求。

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Design of a Multichannel Ku-band Transceiver

XU Senfeng，WU Liangliang

(Science and Technology Department，The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Shijiazhuang 050051, China)

The fundamental working principle of a Ku-band transceiver which consists of four receiving channels and one transmitting channel is introduced first, and then a detailed analysis is made of the unit circuits and key technology. The test results show that in the working bandwidth of 2 GHz and at -55～+85 ℃, the output power of transmitting channel is up to 31±1 dBm, the gain flatness in band is≤±0.5 dB, the switch isolation is≥90 dB, and the gain of receiving channel is up to 30±1 dB, the noise figure is≤5 dB, and the channel isolation is≥60 dB. The test results demonstrate that the design is valid and meets the requirement.

Ku-band; transceiver; multichannel; transmitting channel; receiving channel

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.011

2015-11-03

徐森锋(1983-)，男，工程师。研究方向：微波毫米波固态电路。

TN92

A

1007-7820(2016)08-036-03