X波段收发组件的设计

余奥 刘维佳

摘 要 本文介绍了X波段收发组件系统的整体设计方案，简要分析了X波段收发组件分量的各项指标。并设计了X波段收发组件的系统框图。结合系统框图分配指标，实现发射功率33dBm～35dBm，接收通道增益不小于50dB的高性能X波段收发组件。

关键词 X波段;收发组件;发射功率;接收通道增益

X band transmit/receive component design

Yu Ao Liu Weijia

the 55th institute of China electronic science and technology corporation， Nanjing， Jiangsu 210016

Abstract This paper introduces the design method of X band transmit/receive component， and briefly analyzes the indicators of X band transmit/receive component. Based on this， the system block diagram of X band transmit/receive component is designed. Combined with transmit/receive system block diagram and assigned indicators， designed a high performance X band transmit/receive component which achieved RF power 33dBm～35dBm and ，receive channel gain not less than 50dB.

Keyword X band; Transmit/receive component; RF power; Receive channel gain

引言

微波收發组件作为微波通信的前端，在整个通信设备中有着重要的地位。现在，单芯片收发器已经在S和C波段开发，并且非常流行，这就导致了低频频段的拥挤。在X波段，要想整个收发器系统集成在单个芯片上，这个做法是很难的，现在普遍存在以微波混合集成电路（HMIC）的形式将具有不同功能的芯片搭载到一个芯片收发器。在小型化和轻量化方面，我们利用MCM（多层多芯片技术）和LTCC（低温共烧陶瓷技术），简化了MMIC芯片之间的连接，减少了各种干扰，提高了系统的可靠性[1]。收发组件包括接收分支和发送分支。本文提供了X波段收发组件的设计思路，分解、模拟了关键部件。

1X波段收发组件的系统方案

本文的收发组件系统框图如图1所示：

图1  组件系统框图

在该设计中，射频源产生X波段射频信号（f0），通过发射调制器形成射频脉冲信号，经功率放大后平均功分两路输出;对接收信号经功率合成后放大，通过接收调制器进行相关接收，再与射频源耦合产生的本振信号混频后输出零中频脉冲信号，给后级电路进行处理。

2详细技术设计

2.1 频率源部分设计

锁相环电路是自动控制电路，其经过相位检测器比较参考信号和输出信号的相位，以使输出信号与参考信号同步。锁相环电路由相位检测器（PD），环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）组成。以100MHz晶振提供给锁相源稳定参考信号，通过锁相方式输出X波段点频信号。

2.2 发射部分设计

发射部分将频率源通过耦合器直通端输出的射频信号经驱动放大器、开关调制器、功放、隔离器、功分器等幅输出两路发射信号。如图1所示，通过A调制信号控制单刀单掷开关（SW1）实现发射调制器（调制器1）功能，通过B调制信号控制功放（PA）脉冲工作[2]。

2.3 发射主要指标分析

（1）射频输出功率：33dBm～35dBm（单口），双路不平衡度≤0.5dB;

输出选择先放大再功分的方案，该方案成本相对较低，且输出只有无源功分器，双路不平衡度指标相对会好一点。为了改善功放输出驻波，核算功放功率余量后，在功放输出端增加隔离器。通过上述分析，发射输出功率33.5dBm。

两路不平衡度理论上是0dB，实际可能由于装配带来的端口驻波差异引入损耗不一致，根据此频段仿真及实际测试结果，预计不平衡度不大于0.3dB。

（2）发射开关（调制器1）上升/下降沿：≤20ns;发射开关（调制器1）通断比：≥60dB

组件中是通过控制信号A调制开关实现该功能，对于引信收发前端组件，通过快速切换开关产生高速调制的射频脉冲信号，指标主要由两个因素决定：一是驱动控制开关的驱动器的切换速度、一是开关的切换速度。

（3）发射端、接收端可承受的最大输入功率：≥30dBm（发射端）;

发射输出端选用隔离器可以保证从反向输入的大功率信号不会损坏功放，功分器隔离电阻选用大功率电阻，保证当两端输入功率不平衡时，大功率条件下不会损坏隔离电阻。

2.4 接收部分设计

通过威尔金森功分器将两路接收到的信号合成一路输入，限幅器用于保护接收通道在大功率信号输入条件不损坏，通过D调制信号控制单刀单掷开关（SW2）实现接收调制器（调制器2）功能，射频链路放大、滤波后，与频率源耦合放大滤波的本振信号经双平衡混频器混频输出零中频脉冲信号，中频链路对中频信号增益放大滤波输出。

2.5 接收主要指标分析

（1）接收通道增益：≥50dB;输出中频脉冲幅度：峰值最高不超过（-1V、+1V）;

接收增益可大于50dB，且中频输出峰峰值不超过（-1V、+1V）（换算到输出功率@50ohm为4dBm），射频采用2级放大器，中频采用1级放大器，链路中滤波器主要用于滤除本振及射频泄露信号、带外谐杂波信号，可选用衰减器用于补偿增益和调整输出峰峰值。经测算链路增益51.5dB，输出功率3.5dBm（-0.94V，+0.94V）。

（2）中频放大器带宽：60MHz，带内波动≤1dB;矩形系数（）≤1.4;

中频放大器选用宽带放大器，满足带宽要求，矩形系数主要通过多级低通滤波器保证。

（3）射频输入端隔离度：≥20dB;

接收输入端隔离度由威尔金森功分器两支路端口隔离度保证，工作频带相对较窄，通过设计可以实现25dB隔离度。

（4）噪声系数：≤12dB;

理论测算接收噪声系数可达到10dB。

（5）发射端、接收端可承受的最大输入功率：≥30dBm（接收端）;

接收输入端功分器、隔离器设计可满足30dBm输入功率，限幅器可承受6W输入功率，限幅电平15dBm，保证后端器件不损坏。

（6）接收开关（调制器2）上升/下降沿：≤20ns;接收开关通断比：≥60dB;

分析同发射调制开关[3]。

3结束语

本文在研究X波段收发组件现有技术成果的基础上，设计了一种基于微帶混合集成电路的X波段通信系统收发组件。通过仿真和实际测算，研制出射频输出功率33～35dBm，接收通道增益≥50dB的高性能收发组件。

参考文献

[1] 胡明春，周志鹏，严伟.相控阵雷达收发组件技术 [M].北京：国防工业出版社，2010：215.

[2] Vendelin G D，Pavio A M，Rohde U L . Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear Techniques （Vendelin/Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear Techniques） || Lumped and Distributed Elements[M]. John Wiley & Sons，Inc，2005：255.

[3] E.Wilkinson.Ann-Way Hybrid Power Divider [J].IRE Trans.on Microwave Theory and Techniques，1960（8）：116-118.