Ka波段接收前端的設(shè)計詳解

1、引言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，接收前端電路的集成度不斷提高，同時功能也日益豐富和復(fù)雜。Ka波段接收前端技術(shù)是新一代通信衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)，也是我國需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一 。此項技術(shù)研究對我國的新型通信衛(wèi)星的研發(fā)具有重要意義。由于Ka波段接收機具有頻率高、信息容量大、抗干擾性強等特點，目前我國的新型通信衛(wèi)星多采用該項技術(shù)。因此，研制高性能的Ka波段接收組件迫在眉睫。

2、系統(tǒng)組成及工作原理

該組件主要由射頻通道、混頻、中頻通道三個功能單元組成。射頻通道的主要功能是：將射頻信號進行線性放大，然后由濾波單元抑制鏡像頻率、帶外雜波，避免干擾信號消耗混頻器的動態(tài)范圍，并減少到達混頻器的噪聲。射頻信號經(jīng)下變頻后進入中頻通道。中頻通道的主要功能是：濾除本振泄漏及本振、射頻的高次混出的雜波。將有用信號進行線性放大。組件原理框圖如圖1所示：

圖1 Ka波段變頻組件原理框圖

組件各部分指標(biāo)分配如下表1：

表1 組件各部分指標(biāo)

3、電路設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

在此組件中，低噪聲放大器看成為第一級，而后面的混頻接收部件可看成為第二級，前級低噪聲放大器的增益必須足夠高，才能抑制掉后級噪聲的影響。為兼顧噪聲系數(shù)、動態(tài)范圍兩個指標(biāo)，低噪放的增益在30dB左右較為合適。整個通道設(shè)計了增益余量及可調(diào)衰減器，便于后期整機系統(tǒng)調(diào)試時信道增益的調(diào)整。

在不考慮鏡頻噪聲時，接收機的噪聲系數(shù)可以用如下公式計算：

式中，Nf——放大器整機噪聲系數(shù)

Nf1,Nf2,Nf3——分別是第1，2，3級的噪聲系數(shù)

G1,G2——分別是第1，2級功率增益

由上表可以計算出整機指標(biāo)：

整機增益：29.5dB

整機噪聲系數(shù)：3.25dB

整機線性上限：-24dBm

3.2 射頻單元設(shè)計

射頻單元由兩級低噪放芯片和鏡像抑制濾波器級連而成。前級低噪放采用我所自行研制的低噪放芯片。鏡像抑制濾波器位于兩級低噪放之間，既可以濾除帶外雜波，也能改善匹配。

組件的射頻信號與鏡頻相隔較遠，用微帶鏡像抑制濾波器即可以達到鏡像抑制的指標(biāo)。由于頻率較高，微帶濾波器須進行3維電磁場仿真。前級低噪聲放大器的主要指標(biāo)是噪聲系數(shù)，所以匹配電路是按照噪聲最佳來設(shè)計的，其結(jié)構(gòu)必然偏離駐波比最佳的狀態(tài)，因此駐波比不會很好，所以鏡像抑制濾波器必須有良好的駐波，使前級低噪放和后級混頻器都得到良好的匹配。

3.3 混頻單元的設(shè)計

混頻器選擇hittite公司生產(chǎn)的混頻器芯片HMC329。

混頻器的選擇主要考慮動態(tài)范圍、本振頻率、插入損耗和本振射頻隔離度等指標(biāo)。其中射頻隔離、動態(tài)范圍等指標(biāo)又與各端口的匹配狀態(tài)密切相關(guān)。插入損耗盡量小。綜合各項指標(biāo)，選擇雙平衡混頻器較為合適。雙平衡混頻器有幾個特點：混頻組合分量少，比單平衡混頻器組合諧波成分要少一半，既降低了諧波干擾也改善了諧波能量損耗;隔離度好，可以減小信號通路上的本振泄漏;動態(tài)范圍大，在射頻輸入功率較大時也能工作在線性狀態(tài)。

3.4 中頻單元的設(shè)計

中頻單元由中頻濾波器和中頻放大器組成。中頻濾波器為低通濾波器，主要功能是濾掉中頻端口的高頻信號。中頻濾波器的仿真結(jié)果如下：

圖2所示為電路板仿真結(jié)果，已經(jīng)考慮了微帶線的分布效應(yīng)。

圖2 中頻濾波器(左)、鏡像抑制濾波器(右)的仿真結(jié)果

根據(jù)總體增益的分配，合理選擇中頻放大器的增益，同時兼顧動態(tài)范圍等，考慮到可靠性、小型化等因素，最終選擇了陶瓷封裝的單片放大器。

4、電路板及腔體設(shè)計

4.1 接頭的選擇

射頻接頭選擇M/A-com公司生產(chǎn)的K型頭，其工作頻率可以到40GHz。

4.2 介質(zhì)片的選擇

由于工作頻率較高，介質(zhì)基片的選擇也是非常重要的。在這個組件中，選擇的介質(zhì)基片是羅杰斯5880，基片厚度為0.005“，有利于減少散射和輻射損耗。介電常數(shù)εr是2.2 ±0.02，可以幫助減少電路板加工容差變化對圖形分布參數(shù)的影響。同時，該基片的損耗角正切值也非常小，僅為0.0009，有利于減少損耗。

4.3 工藝設(shè)計

整個接收通道放置在一塊電路板上，避免鍵合線、跨橋帶來的損耗。對盒體進行銀層涂鍍，外蓋采用雙層盒蓋結(jié)合焊錫密封，增強了產(chǎn)品在濕熱環(huán)境下的可靠性。

3.4 腔體設(shè)計

本振信號不僅通過傳輸線泄漏到輸出端，還可以通過空間泄漏，所以腔體適合與否對這個指標(biāo)影響非常大。為了避免微波信號的空間渡越，放大電路與電源電路在盒體內(nèi)完全隔開，為排除電磁干擾，各腔體間電源通過穿芯電容連接。

組件體積小，40mm×60mm×15mm3。

5 、技術(shù)難點

5.1 Ka波段鏡像抑制濾波器的設(shè)計

該組件中我們采用微帶濾波器來實現(xiàn)射頻和中頻濾波器，既便于匹配又大大減小了組件體積。

5.2 高抑制度及小本振泄漏的實現(xiàn)

為了減小微帶濾波器的天線效應(yīng)、避免微波信號的空間渡越，放大電路、微帶濾波器電源電路在盒體內(nèi)完全隔開，各腔體間電源通過穿芯電容連接。

6、設(shè)計結(jié)果

根據(jù)上述理論進行設(shè)計，我們研制Ka波段接收前端，其噪聲系數(shù)及穩(wěn)定度均達到了較高水平。具體性能指標(biāo)如下表2。

表2 性能指標(biāo)

7、結(jié)論

通過對多芯片射頻接收前端的系統(tǒng)級的仿真，實現(xiàn)了接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)、功耗、鏡像抑制和雜波抑制的分析，有效的開展電路設(shè)計。目前Ka波段接收前端已研制成功。優(yōu)良的性能指標(biāo)使得該組件在精確制導(dǎo)、毫米波雷達、電子對抗、通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。