一种双波段收发源射频组件的设计

摘  要：设计了一款Ku/Ka双波段收发源射频组件，内部集成了发射单元、相参体制频率源以及多通道接收单元。通过优化电路设计，在具备小体积、高集成度的同时，满足相关指标要求。电路测试及热仿真结果表明，组件在工作频带内满足发射相位噪声、杂波抑制度、线性增益、接收噪声系数等指标要求，同时具备良好的热设计，保证其在极端环境下的可靠性。

关键词：Ku波段；Ka波段；收发组件；相参体制频率源

中图分类号：TN015    文献标识码：A    文章编号：2096-4706（2023）13-0067-04

Design of a Dual-Band Receiving and Transmitting Source RF Module

LIN Peng

（The 13th Research Institute of CETC， Shijiazhuang  050051， China）

Abstract： A Ku/Ka dual-band receiving and transmitting （T/R） RF module is designed， which is integrated with a transmitting unit， a coherent frequency source and a multi-channel receiving unit. By optimizing the circuit design， it can meet the requirements of related indicators while having small volume and high level of integration. The results of circuit test and thermal simulation show that the module meets the requirements of transmitting phase noise， clutter suppression， linear gain， receiving noise coefficient and other indicators in the working frequency band. At the same time， it has good thermal design to ensure the reliability in extreme environment.

Keywords： Ku band; Ka band; T/R module; coherent frequency source

0  引  言

由于对电子系统的集成度要求越来越高，需要往小型化方向发展[1]。在诸多技术指标当中，作用距离和探测精度起决定作用[2]。探测精度方面，为提升抗时频域干扰能力，采用多频段/双频段电子系统，可实现双波段信息融合、宽带频率捷变、自适应变频等灵活的时频域信号处理。作用距离方面，选择较高的工作频段，可以完成对距离和位置等的精确测量，提高角精度和角分辨率[3]。目前Ku/Ka双频段系统设计主要集中在天线、微波网络以及关键芯片、器件的研究，对高集成度、小型化及优良性能的双波段收发组件研究较少[4-7]。

为了满足雷达系统轻量化、小型化设计需求，同时具备优异的探测精度和作用距离，设计了一款Ku和Ka双波段收发源射频组件，将两个波段的发射通道和多路接收通道集成在一个组件中，内部集成高性能频率综合器。这种双波段高性能收发源射频组件对电路器件的性能参数、电磁兼容性能，热设计都有很高要求。

1  基本组成

收发源由Ku波段和Ka波段组成，共用抗振恒温晶振，每个波段的收发源主要包括发射单元和接收单元，其中发射单元内部集成了频综模块和发射模块。频综模块接收信号处理机送给的两路DDS信号，经多级上变频后输出的射频信号包括：发射激励、通道自检、阵列自检、设备基准、本振监测信号。Ku波段和Ka波段接收模块实现对多路输入射频信号的二次变频、滤波、放大，然后输出中频信号供给信号处理机做后续的信号处理。收发源组件在初始上电状态下，发射通道和接收通道不上电，具备时钟正常输出和通信正常功能，在收到处理机上电控制指令后，再给发射通道和接收通道上电。收发源组件射频组件在信号处理機控制下具有低功耗功能，低功耗休眠状态下保持与处理机通信正常，以及时钟信号正常输出功能。

2  电路设计

组件按功能单元进行划分，分为接收通道单元、Ku发射单元（含电源和控制）和Ka发射单元，三部分互相独立，采用垂直互联方式。各功能单元采用模块化整板设计，利用3D-SIP架构实现产品的高度集成和抗干扰。

2.1  发射单元

发射单元功能框图如图1所示。发射单元包括频综和发射两部分，其中频综单元用于产生系统所需要的具有高频谱纯度、高稳定度的时钟信号、采样时钟信号、DDS参考时钟信号、本振信号。频综单元采用相参体制频率源设计，即电子系统的射频信号、本振信号、时钟信号和参考信号等均由同一基准源提供，且这些信号之间均保持确定的相位关系。本文设计的相参体制频综，主要用于产生Ku+Ka双波段发射、接收一本振（LO1）、二本振（LO2）、本振监测信号，以及100 MHz时钟信号。频综作为相参系统的核心部件，对其相位噪声、杂波抑制度具有较高的要求。

2.1.1  相位噪声

相位噪声是射频组件在各种噪声作用下引起系统输出信号相位的随机变化，它是衡量频率标准源频稳质量的重要指标。它影响系统中信号处理检测精度，从而影响探测目标的精度[8，9]。本文设计的双波段收发频率源，其发射链路采用二次混频方案，DDS射频信号与LO2上变频至C波段，LO1经2倍频至Ka波段，与C波段中频信号混频产生Ka波段所需信号，因此，混频输出的相位噪声谱密度为射频信号和本振信号相位噪声谱密度之和，即：

SIF （ f ） = SRF （ f ）  + SLO （ f ）

式中，SIF （ f ） 、SRF （ f ） 、SLO （ f ） 分别为中频信号、射频信号和本振信号相位噪声。当SRF （ f ） 与SLO （ f ） 相当时，SIF （ f ） 比之前恶化一倍，而当SRF （ f ） >>SLO （ f ） 或SRF （ f ） <

频综本振链路设计原理图如图2所示，本振信号由直接合成跳频源产生，为了获得相位噪声较低的输出信号，首先，采用直接合成加乒乓环的方式，在倍频链路级前连接梳状谱发生器，内部利用乒乓跳频源（最小跳频间隔10 MHz）和梳谱跳频源，并通过预选功分和开关滤波实现频率选择切换，来降低LO1和LO2的相位噪声；其次，选用100 MHz高稳定晶体振荡器，该晶振内部采取机械减振方式实现抗振，并通过功率管对晶体进行加热实现恒温，晶振内部晶体通过谐振、放大、滤波后输出正弦波。该晶振具有频率高、相噪低、高可靠的特点，其主要性能参数指标如表1所示。通过以上设计，发射单元二次混频后的相位噪声低于-103 dBc/Hz@1～600 kHz，满足指标要求。

2.1.2  杂波抑制

发射杂散主要包括电源杂散及无用射频分量杂散，本文重点介绍后者。收发源组件采用二次混频方式，其本振信号是基于梳状谱发生器构建的直接合成跳频源产生的，因此无用频率分量包含本振杂散和发射混频杂散两部分。

对于本振杂散，一方面选取性能优异的抗振恒温晶振，确保晶振在全频带范围内无杂散分量；另一方面，X频段倍频模块是将S波段开关滤波模块输出的信号4倍频，倍频后前级模块的杂散分量幅度将恶化12 dB，为此在进入4倍频器前增加一级Fbar开关滤波器，进一步提高杂散抑制度；最后，选取八选一开关滤波器开关和窄带Fbar滤波器，来减少开关滤波模块杂散。

发射混频杂散，包括C波段上变频模块杂散和Ka波段上变频模块杂散两部分。对于C波段上变频模块杂散，一方面选用低通滤波器对混频后的远端无用信号进行抑制，其对远端大于10 GHz的信号抑制大于50 dB，再加上混频器本身的抑制，远端抑制可达70 dB；另一方面选取Fbar滤波器滤除近端本振泄露、组合杂散（LO-2IF、LO+IF、LO+2IF等）以及低端中频泄露等杂散信号；对于Ka波段上变频模块杂散，通过在倍频器后级联带通滤波器对基波以及3次谐波进行抑制，并在后级级联两级MEMS滤波器构成的开关滤波器进行分段滤波，滤波器对本振的抑制大于40 dB，两级级联后大于80 dB。综上所述，发射杂散设计值大于70 dB。

2.2  接收单元

接收单元的主要功能是将从天线传输的高频信号经限幅、滤波、射频衰减、两级下变频、中频衰减、滤波、放大等得到中频信号，供给信号处理机使用。图3为接收单元的功能框图，包含两个Ka波段双路接收模块、三个C波段下变频模块、三个中频放大模块以及三个中频滤波器等，采用两次变频方案，各通道共用本振信号，将三路带宽±2 200 MHz的Ka波段信号下变频至中频输出。

2.2.1  线性增益与噪声系数

通过有效分配双路接收模块和中频放大模块增益，再加上中频输出滤波器以及衰减器损耗，接收单元线性增益为33±2 dB，噪声系数为6.8 dB。

2.2.2  幅相不一致性

多通道雷达通道间的幅相不一致性影响着阵列信号处理的性能[10]。幅相不一致性是多通道接收单元的一项重要指标，其好坏影响探测精度。本文设计的收发源组件接收单元幅相不一致性包含以下三个方面：

1）常温下接收通道的幅度不一致性。

2）三温条件下相位不一致性变化。

3）三温条件下幅度不一致性变化。

为了保证接收通道间的常温下的幅度一致性以及三温下通道间相位幅度变化一致性，本文从完善电路设计来保证，具体如下：

1）合理分配通道增益，使各器件工作在线性区。一方面，由于输出端中频放大模块增益较高，因此模块中选用输出P1dB较高的放大器确保线性工作；另一方面，合理分配各通道增益，保证接收端输入信号幅度为-27 dBm，使链路中各放大器均工作在线性区，以此来保证接收通道间的幅度一致性。

2）优选元器件，选用一致性和重复性较好的元器件。

3）保证各通道间电路结构设计完全一致。

4）简化电路设计：本项目采用模块化设计，微波功能电路采用金属陶瓷管壳封装成器件，极大的简化电路设计。

根据多批次类似多通道产品的调测试经验，通道间幅度一致性可达到3 dB以内，通道间幅度变化一致性可达到2 dB以内，通道间相位变化一致性可达到20°以内。

3  热设计及仿真

组件内功率器件的散热对系统的性能和可靠性有重要影响，本文設计的双波段收发源射频组件功耗较大，内含多个功率器件，需对其进行热设计。通过合理的装配和布局，可以使发热期间均匀散热，并有效控制热源附件的温度急剧上升，提高了组件在极端环境下的可靠性。

使用ANSYSIcepak软件对组件进行散热模拟。通过软件ANSYS Workbench建立热设计模型，包括组件的盒体、印刷板以及功耗在0.3 W和0.3 W以上的元器件。

分两种工况进行模拟：

工况1：环境温度25 ℃，瞬态仿真1小时，Minx面风速1 m/s。

工况2：环境温度85 ℃，瞬态仿真15分钟，盒体底面为安装面恒温85 ℃。

图4为两种工况下功率器件的发热温度分布，其中工况1最高器件温度约为88.6 ℃，工况2最高器件温度约为108.6 ℃。通过热仿真分析证明此组件的热设计合理可行，完全满足使用要求。

4  结  论

根据系统轻量化、小型化设计需求，本文设计了一款集成了Ka/Ku双波段收发源射频组件，内部集成了相参体制频综模块。通过优化电路设计，实现了发射单元低相噪和杂散抑制度的要求，接收通道幅相一致性较好，热仿真模拟证明了其良好的散热性能。产品总质量小于1.5 kg，相比以往类似产品，在体积相当的情况下实现了功能的多样化以及指标的进一步提升。主要指标测试结果为：Ka/Ku波段发射相位噪声为-103 dBc/Hz@（10～600）kHz/-108 dBc/Hz@（10～600）kHz，杂波抑制度为67 dB；Ka/Ku波段接收单元线性增益为35±2 dB，噪声系数为6.19/6.65 dB。

参考文献：

[1] 李元，郭海利，朱泽群，等.浅谈雷达导引系统 [J].军民两用技术与产品，2022（5）：66-70.

[2] 张莹莹.毫米波雷达微带阵列天线的设计与研究 [D].南京：南京邮电大学，2022.

[3] 郑巧珍，黄飞，王佳，等.多通道相控阵雷达导引头技术概述 [J].航空兵器，2016（6）：40-43.

[4] 邓智勇，解磊，翟晓霞.一种紧凑型Ku/Ka频段馈源网络 [C]//2021年全国天线年会论文集.宁波：西安交通大学出版社，2021：1357-1359.

[5] 尹一婷.Ku/Ka双频共口径相控阵天线阵面设计 [D].成都：电子科技大学，2022.

[6] 张鸣一.Ku/Ka波段双频T/R组件关键技术研究 [D].北京：中国电子科技集团公司电子科学研究院，2021.

[7] 江昀隆.Ku/Ka频段功率放大器芯片研究 [D].成都：电子科技大学，2020.

[8] 胥鑫.微波毫米波雷达频率源关键技术研究 [D].成都：电子科技大学，2015.

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[10] 張国强，杨莉，崔敏.一种新型小型化收发组件的设计 [J].火控雷达技术，2015，44（2）：83-86.

作者简介：林朋（1983—），男，汉族，河北石家庄人，高级工程师，硕士，研究方向：微波射频组件。

收稿日期：2023-03-23