X波段一体化收发组件设计

李 翔

(中国电子科技集团公司 第13研究所17专业部，河北 石家庄 050000)



X波段一体化收发组件设计

李 翔

(中国电子科技集团公司 第13研究所17专业部，河北 石家庄 050000)

针对机载设备小型化、轻量化、低功耗等要求，采用射频电路小型一体化技术、大功率发射等方法，设计了一种X波段低噪声系数、多次变频等功能的一体化收发组件。收发组件的主要指标噪声系数≤3 dB；镜像抑制≥50 dB；发射泄漏幅度在-10～0 dBm；输出脉冲功率≥30 W。组件用于某雷达，已通过试验验证，性能稳定，具有较强实用性。

收发组件；噪声系数；镜像抑制；发射泄漏幅度；输出脉冲功率

雷达是集中了现代电子科学技术各种成就的高科技系统[1-2]。众所周知，雷达很早以前便在地面、舰载、机载等方面成功的使用[3-4]，是一种可主动地对远距离目标进行全天候探测的信息获取装备[5-6]。X波段是频率在8～12 GHz电磁波，具有反射率强，波长短等特点，因此，X波段的雷达在军事和特殊用途上得到了良好的应用[7]。收发组件作为雷达的重要组成部分[8]，一般通过预选、放大、变频、滤波和解调等方法实现[9]，接收前端是雷达处理回波信号的前端[10]。

1 系统组成及工作原理

该收发组件工作在X频率，其中主要包括射频通道、混频、中频通道、发射通道及功放单元等组成。组件收发通过环形器共用一个射频端口[11]。

接收通道通过限幅器及保护开关实现对接收低噪声放大器件的保护，两次下变频完成将X波段信号变频至中频，经滤波、放大输出。发射通道通过一次上变频实现，将L波段信号上变频至X波段，经滤波、功放输出，最终输出功率达到30 W。收发组件的原理框图如图1所示。

图1 X波段一体化收发组件原理框图

2 电路设计

2.1 射频单元

射频通道的主要功能是，将射频信号进行线性放大，然后由滤波器抑制镜像频率、带外杂散，避免干扰信号消耗混频器的动态范围。在此组件中，噪声系数主要由第一级混频之前决定，主要取决于环形器的损耗[12]、波导-微带转换插损、限幅器及开关的损耗[13]、两级低噪放的噪声系数及其增益、滤波器的损耗和混频器的变频损耗。其中，波导-微带转换采用的是波导-探针-微带过渡，微带平面的法向与波导内电磁波的传播方向平行[14]，仿真曲线如图2所示。

整个接收通道部分的噪声系数和增益的理论计算链路如图3所示，该收发组件的噪声系数<3 dB，增益40 dB。

图2 波导-微带转换仿真曲线

图3 射频接收通道噪声、增益计算

2.2 混频单元

混频器的选择主要考虑本振频率和功率、变频损耗、本振与射频的隔离度及镜像抑制等指标[15]。X波段收发组件经两次混频下变频到中频输出。该收发组件要求镜像抑制≥50 dBm，因此选用镜像抑制混频器。第一级混频采用I/Q混频器HMC520，第二级混频依然采用I/Q混频器NC1736C-102。该收发组件对镜像抑制要求较高，除了采用镜像抑制混频器外，还需要RF镜像抑制滤波器及中频滤波器。图4为滤波器的仿真曲线图。

图4 滤波器仿真曲线

2.3 中频单元

中频单元由中频放大器和中频滤波器组成。合理选择中频放大器，同时兼顾其动态范围等，考虑到小型化因素，最终选择了芯片放大器。中频滤波器为LC滤波器，其关键指标为：中心频率fIF；0.5 dB带宽≥8 MHz；3dB带宽≤±10 MHz。

2.4 功放单元

该收发组件中要求输出脉冲功率≥30 W。在功放单元中所采用的合成器形式为混合环，其优点为端口驻波好，分配端口之间具有较高的隔离度，可以避免单片驻波较差带来功率合成的影响。功放单元具体指标分配如图5所示，最后输出功率>45 dBm，即>30 W。

图5 功放指标分配

3 技术难点

该X波段一体化收发组件较难实现的一个指标是发射泄漏幅度在-10～0 dBm范围内。在结构布局时将接收和发射两个模块分腔设计，减少信号串扰，以保证良好的收发隔离。

发射信号泄漏到中频输出端有两种途径，一种是功放输出信号从发射通道经过本振通道，泄漏到中频输出；一种是从接收通道泄漏到中频信号。功放模块输出功率30 W，约45 dBm，发射通道中两级HMC564的反向隔离约34 dBm，滤波器插损3 dB，混频器HMC553的LO&RF隔离约45 dBm，本振功分器的隔离约17 dBm，因此，发射信号通过本振通道泄漏到接收通道一次混频前的信号幅度为45-34-3-45-17=-54 dBm；在接收通道，环形器隔离约20 dBm，两级开关隔离约70 dBm，两级低噪放增益约41 dB，滤波器插损3 dB，因此，发射信号泄漏到接收通道一次混频前的信号幅度为45-20-70+41-3=-7 dBm。由此看出，发射信号从本振通道泄漏的信号比从接收通道泄漏的信号幅度要小很多，因此发射泄漏幅度主要从接收通道泄漏。

在测试时，射频端加负载，功放模块输出功率30 W，约45 dBm，环形器隔离约20 dBm，两级开关隔离约70 dBm，接收通道总增益40 dB，理论上，发射泄漏幅度45-20+40-70=-5 dBm，实际测试中测得泄漏幅度为-8.5 dBm。

4 研制结果

研制的X波段收发组件工作在-45～+70 ℃范围内，几个主要指标测试结果如表1所示。在整机使用中，该产品性能稳定，一致性高，长期可靠性得到验证。

表1 组件指标测试结果

5 结束语

描述了X波段一体化收发组件的工作原理及系统实现方案，通过对多芯片射频收发组件的系统级联，实现了对收发系统的噪声系数、镜像抑制及发射泄漏的分析，对其中的关键指标及工程实现进行了剖析，并给出了具体的研制结果。此X波段一体化收发组件研制已成功，优良的性能指标使得该组件在实际工程中得到了应用，具有良好的前景。

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Design of an X Band Integrative T/R Module

LI Xiang

(No.17 Professional Department,13thResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050000, China)

An X band integrative T/R module of low noise figure and multiple frequency conversions is designed by using the RF circuit integration technology and high power transmitters to meet the requirements of airborne equipment for miniaturization, lightweight model and low power consumption. The T/R module performance of the assembly is as follows: noise figure≤3 dB, image rejection≥50 dB, transmit leakage amplitude into -10～0 dBm scope, and output pulse power≥30 W. The module has been used in a certain radar. The result shows the module has stable performance and very strong practical significance.

T/R module; noise figure; image rejection; transmit leakage amplitude; output pulse power

2016- 10- 071

李翔(1984-)，女，硕士，工程师。研究方向：微波毫米波电路设计。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.027

TN957.5

A

1007-7820(2017)06-099-03