毫米波弹载多通道收发前端设计

文/花婷婷

毫米波弹载多通道收发前端设计

文/花婷婷

本文介绍了一种毫米波弹载五通道集成收发前端的主要构成和技术要点，基于小型化的设计思想，详细阐述了各主要关键部件前置低噪放、二次变频通道、本振功分和电源及控制等电路设计和结构布局。完成的收发前端具有接收高增益、低噪声、发射功率大及集成度高的特点。

Ka波段 收发前端 小型化 多通道

1 引言

毫米波频段具有频带宽，波长短，抗干扰能力强，波束窄，容量大和保密性能好等优点，特别适用于精确制导系统。借助于成熟发展的MMIC 技术, 可以更好实现信道的集成化、小型化, 更适合于弹载等高集成环境下使用。

本文设计的毫米波多通道收发前端是弹载导引头的核心部件之一，其性能指标决定了导引头整机作战性能，它主要完成四路毫米波信号的接收、下变频放大至中频输出，和一路上变频发射激励。本文围绕收发前端各功能组成展开，同时由于弹载有效载荷空间的限制，对整个导引头包括五通道收发前端的重量和体积提出了更为严苛的指标，大大增加了设计难度。

2 方案设计

2.1 工作原理

五通道的毫米波收发前端原理框图如图1所示。它包括四路完全相同的下变频接收通道、一路上变频发射通道和收发共用的两个本振功分网络。其中，发射通道接收来自波形产生的L波段信号，将其上变频至Ka波段的发射频率，放大后送给发射功放，输出功率经天线辐射在空间形成大功率发射信号；Ka波段回波信号经天线接收送到四路接收通道中，经前置低噪放放大后送入二次下变频通道变为L波段信号送数字处理。除上述射频功能外，五通道的收发前端还应包括低频控制电路和电源分配电路，负责给五个射频通道提供控制电平、电源驱动等功能。

2.2 结构布局

本文设计的五通道收发前端利用叠层结构、立体布局实现小尺寸高集成。小型化五通道收发前端电路结构平面布局如图2，结构腔体正面为四个接收下变频通道和一个发射上变频通道，射频通道背面对应相应的电源滤波电路及控制电路，对应电源及控制接口由绝缘子传输。一本振功分电路考虑到频率很高，布局置于射频变频通道同面，保证其驻波及损耗特性。二本振功分电路频率相对较低，置于变频通道背面，通过射频垂直过渡结构，回传至变频通道。为避免各通道之间的相互影响，提高通道之间的隔离度，在各通道之间设置了金属隔板进行屏蔽。收发通道结构上采用直尺分布、回转隔腔布局，实现高密度集成。

3 工程实现及关键技术的解决

3.1 前置低噪放

由多级器件噪声系数公式可知, 前级放大器的噪声系数决定了整个接收系统的噪声系数, 而放大器较高的增益可以削弱后级电路对噪声系数的影响。Ka波段前置低噪放模块主要由波导-微带转换、限幅器、毫米波低噪声放大器及保护开关等组成，一般设计为双平衡结构，原理图如图3所示。输入端采用低损耗的90度3dB电桥。由于双路回波反射在隔离口抵消，天线单元与限幅低噪放输入失配得到很大改善，从而消除了回波反射损耗。同时双路工作降低了限幅器耐功率指标，也大大提高了系统可靠性。该前置低噪放模块的小信号增益设计为20dB，输出P-1为10dBm，限幅器的耐功率设计为20W。

3.2 二次变频通道

由于系统工作在Ka波段，接收信号的频率较高，而高精度数字采集的中频频率很低。变频方案的选择对系统实现至关重要。采用一次变频方案时，镜像频率、本振频率和射频频率离得很近，使得一次镜像抑制无法达到系统要求。三次变频方案固然可以带来接收机的高性能，但是带来了设备体积、功耗的增大及整机复杂性的提高，不利于弹载高集成环境应用。综合以上因素，本文设计采用优化的两次变频方案。中频选择与最新AD/DA技术成果匹配的L波段信号，实现模拟中频滤波高镜像抑制，同时满足SAR成像对数字接收高信噪比要求。一本振采取11跳点，间隔100MHz，二本振采取2跳点，间隔50M。一、二本振双重跳频技术的使用，降低了一本振设计难度，使得整个系统获得更优良的技术指标。

完整的单通道接收前端原理框图如图4。整个接收前端分为两部分，即前置低噪放模块和二次下变频接收通道，低噪放模块的输出与接收通道的输入通过电缆相互连接。

发射前端与接收前端共用两个本振信号，同时也共用混频器和滤波器，降低了系统复杂度，也有利于收发前端的小型化。

图1：毫米波五通道收发前端原理框图

（a）正面

图2：小型化五通道收发前端电路结构平面布局图

3.3 本振功分电路

毫米波弹载多通道收发前端的一本振频率较高为Ka波段，此时微带线尺寸和腔体效应所带来的影响已不能忽略不计了。系统通过在微波波段锁相混频得Ku波段基频信号，然后通过功分电路进入五个收发通道后再分别倍频、放大到Ka波段。二本振信号频率较低为C波段，则直接通过功分电路分配至五个收发通道。

图3：Ka波段平衡式限幅低噪放原理框图

图4：接收前端原理框图

图5：串并转换的功能框图

本振信号经功分电路分为五路进入收发通道，其中四路接收通道的本振功率应该相同。考虑到本振功分电路体积的限制，功分电路全部由功分芯片实现，本振信号先经过一个三路功分器分为三路，一路直接进入发射通道，另外两路分别经过一个二路功分器再一分二变为四路分别进入四个接收通道。

3.4 电源及控制电路

收发前端背面的低频电源与控制电路主要完成DC/DC变换、加电保护和通道数控衰减器控制码串并转换的功能。串并转换模块是采用CMOS工艺制造的单片集成电路，实现将单路差分串行输入数据转换为8位并行数据输出，并带有±15mA的输出驱动能力。其功能框图如图5所示。

电源分配滤波电路主要用于将外部供电分配至通道有源器件对应馈电绝缘子处以及对电源网络中干扰信号的滤除。在交直流信号叠加的电路中滤除交流分量而保留直流分量，主要由电容、电感、磁珠等无源器件组合而成。滤波器件电感、磁珠串接，而另一种滤波器件电容的两极则分别并联和接地，构成滤波旁路。

3 测试结果

对该Ka波段收发前端进行测试,可达到的指标如下：

接收增益：≥60dB；

噪声系数：≤6.5dB；

多路间隔离度：≥40dB；

发射功率：≥16dBm；

发射杂波抑制度：≥40dBc；

五通道收发前端结构尺寸：≤110mm×115mm×23mm。

4 结论

本文基于毫米波弹载平台的系统要求，采用收发共用优化的二次变频体制，设计出了一种高性能、多通道、轻小型的Ka波段收发前端。本文重点阐述了组成收发前端的各功能部件，分析了影响收发前端关键指标的多种因素,采取相应优化措施并准确设计关键电路,通过测试结果可知各个指标均满足设计要求。优化措施及设计方法同样适用于其它毫米波频段的收发前端设计。

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作者单位 中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088

花婷婷（1987-），女，江苏省东台市人。博士学位。工程师。主要研究方向为微波固态电路及收发系统。