Ku波段收发组件设计分析

姚若妍，魏 斌

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）



Ku波段收发组件设计分析

姚若妍，魏 斌

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

摘 要：该Ku波段收发组件包括发射双通道上变频和接收下变频两部分内容。双通道上变频模块包括本振、上变频器、滤波器、放大器、耦合器、隔离器、开关等。双通道上变频模块的发射通路具有耦合输出，可以接到接收通道耦合输入，用来形成发射通道与接收通道的自闭环，完成系统自检测试功能。下变频通道前端主要由低噪声放大器、耦合器、混频器以及中频滤波和放大器组成。

关键词：发射机；接收机；Ku波段

1　引言

毫米波技术是当今微波界最为敏感的课题之一，在现代雷达、制导武器、通信、电子对抗等电子系统中得到广泛应用。同时，以收发组件为核心的相控阵技术在通信、雷达等领域也得到广泛重视[1]。一部相控阵天线系统包含几十乃至成千上万个T/R组件[2]，高性能、高可靠性、低成本的收发组件是相控阵系统重要的关键技术。因此，本文对毫米波收发组件进行研究，其具有频率高、波长短、波束窄、精度高、抗干扰能力强和容量大等特点。在毫米波通信方面国外已经相当成熟，由于工艺等因素的限制，国内对毫米波收发组件的研究起步相对较晚。总的来看，毫米波收发组件正在逐步向小型化、轻量化、宽带化、固态化和集成化方向发展[3]，这些都充分说明了毫米波收发组件是一种很有发展前景的无线通信技术。

2　原理结构图和性能指标

由于雷达系统性能要求的差异，收发组件的实际组成和具体电路的复杂程度不尽相同，但基本原理组成框图是差不多的，主要由接收通道、发射通道、本振和电源转换等组成[4]。图1为该Ku波段收发组件的功能组成框图。1 MHz的参考时钟经放大和两次倍频后分别得到频率为16 GHz和16.14 GHz的本振信号，功率均为13 dBm。两本振信号分别用于发射通道的上变频和接收通道的下变频。

图1　Ku波段收发组件原理结构图

Ku波段收发组件的性能指标如下所示。

(1) 发射波形信号输入功率：-5～0 dBm；

(2) 发射波形信号频率范围：1±0.2 GHz；

(3) 本振波形信号输入功率：-5～0 dBm；

(4) 本振波形信号频率范围：1±0.2 GHz；

(5) 参考时钟输入频率：100 MHz；

(6) 参考时钟输入功率：5 dBm；

(7) 发射功率：13 dBm；

(8) 发射频率范围：17±0.2 GHz；

(9) 接收噪声系数：＜15 dB；

(10)接收增益：10 dB；

(11) P-1dB,in：10 dBm；

(12)收发隔离：＞80 dB；

(13)接收中频：140±1 MHz；

3　发射通道设计

发射通道设计框图如图2所示。外部输入的800～1000 MHz发射波形信号和16 GHz的本振信号混频后经滤波和放大得到16.8～17.2 GHz发射信号，发射功率为13 dBm。发射信号经耦合器和功分器后得到两路信号，一路接检波管得到检波输出信号，一路经开关控制得到耦合输出信号和测试信号，其中测试信号由耦合器接到接收通道，用来形成发射通道与接收通道的自闭环，完成系统自检测试功能。

图2　发射通道设计框图

该组件选取的发射通道末级放大器是Hittite公司的HMC441LC3B，该芯片在17 GHz频段处增益为14 dB，1 dB压缩点能达到20 dBm。在输入-5 dBm的条件下，增益是18 dB，发射功率可以达到13 dBm，整个系统的仿真图见图3。

图3　发射链路图

4　接收通道设计

接收通道设计框图如图4所示。800～1000 MHz本振波形信号和16.14 GHz的本振信号混频得到16.94～17.34 GHz的信号，该信号经滤波、放大后和16.8～17.2 GHz的接收输入信号进行混频，放大和滤波得到140 MHz的中频输出信号。

图4　接收通道设计框图

根据噪声系数公式（1）可知系统的噪声系数主要由接收前端决定。

式（1）中，NFn为第n级放大器的噪声系数；Gn为第n级放大器的增益。该模块接收通道 P-1dB,in为10 dBm，不是整机系统的接收前端，因此对接收通道的噪声系数要求不高，要求小于15 dB。该组件选取的中频放大器是Hittite公司的HMC580ST89，该芯片在140 MHz频段处增益为22 dB，1 dB压缩点能达到22 dB。由图5仿真图可以看到，该模块接收噪声系数的理论指标为13.70 dB，增益为10.26 dB，满足指标要求。

图5　接收链路系统仿真

5　通道隔离度

由于该组件的工作频率较大，为了防止组件工作时信号在收发链路间串扰，就需要对组件的收发隔离度提出较高的要求。要提高收发隔离度，首先就要选择高隔离度的微波开关，该组件选取的微波开关是Hittite公司的HMC547LP3，该开关在工作带宽内的插损小于1.8 dB，其隔离度为45 dB。收发通道之间相隔着2个耦合器（耦合度-30 dB），因此，线上的收发隔离为105 dB，满足收发隔离指标（80 dB）。为了提高模块收发之间在空间上的隔离度，在腔体内部布局时，把接收通道和发射通道分布在壳体的正反两面并且各通道内部采用模块化设计，可以有效防止电磁信号在通道之间相互串扰，否则很容易引起自激。

6　组件供电部分

由于系统器件种类众多，需要的电源种类也多，所以组件的供电也是一个很复杂的问题。如果处理不当的话，干扰信号很可能通过电源线馈入信号链路造成干扰。在结构设计室将组件盒体分为上下两层，背对背设置。上层隔出一个独立墙体专门来走电源线，通过电源线路的合理布局，将各器件需要的电源通过穿芯电容穿墙直达器件的电源端，从而在最大程度上降低电源串扰、耦合的问题。组件供电电源为+12 V，各通道部分所需的电源电压要求分别如下：

（1）接收部分需要的工作电压：5 V/185 mA。

（2）发射部分需要的工作电压：-5 V/10 mA，5 V/250 mA，3 V/43 mA。

（3）本振部分：5 V/520 mA。

采用稳压电路对进行电压分配，其中的电源为5 V/0.955 A，3 V/0.043 A，-5 V/10 mA，从以上电源分配可以得知其输出电流大，为了提高效率我们采用LMZ14202H电源模块电路进行分压控制，其效率高达97%，减少了系统散热，电源框图如图6所示。

图6　电源转换框图

7　研制结果

Ku波段收发组件外形如图7所示，接口名称从左到右、从上到下依次为本振波形、中频输出、耦合输出、接收输入、参考时钟、电源与控制、发射输出和发射波形。

图7　Ku波段收发组件外形图

通过衰减网络调节、吸收体粘贴以及微带走线上的匹配调节，得到初步调试结果如图8和图9所示。信号源设置频率1 GHz、功率-5 dBm接到发射波形端口，频谱分析仪在发射端口测得在17 GHz的功率为9.6 dBm，测试线缆在17 GHz时线损为3.5 dB，因此该组件发射通道的输出功率为13.1 dBm，满足指标要求。噪声分析仪测得140 MHz频率处的噪声系数为20.3 dB，满足指标要求。信号源设置频率17 GHz，功率10 dBm接到接受输入端口，频谱分析仪在中频输出端口测得在140 MHz的功率为20.1 dBm，140 MHz时忽略线损，因此接收增益为10 dB，满足指标要求。

图8　发射通道输出功率

图9　接收通道功率

8　结论

收发组件在导弹制导系统、雷达和电子战系统中发挥着不可或缺的作用。为了提高设计灵活性，缩短开发周期，节约成本，后期将采用模块化技术进行组件设计，各模块可单独使用，通过更换或增加部分模块就能扩展或更改功能。本文设计的Ku波段收发组件满足设计指标，得到了用户的肯定，同时为后续模块化设计奠定了理论和实践基础。

参考文献：

[1] 甄可龙，唐云菲，吕善伟. 基于ADS的毫米波收发组件设计及仿真[J]. 计算机与网络，2014，(14).

[2] 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.

[3] 薛良金. 毫米波工程基础[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.

[4] 郑林华，王华元. S波段小型化收发组件模块[J]. 中国科技信息，2012，(13).

姚若妍（1989—），女，浙江湖州人，硕士，毕业于电子科技大学，现从事射频微波收发组件设计工作。

The Design of Ku-band T/R Module

YAO Ruoyan, WEI Bin
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China）

Abstract:The Ku-band T/R module contains an up-converter transmitting channel and a down-converter receiving channel. The transmitting channel is consisted by local oscillator, up converter, filter, PA, isolator, switch and so on. Its transmitting channel has coupled output and can be connected to the input of receiving channel, which realizes the system self-check test function. The front end of the down-converter receiving channel consists of LNA, coupler, mixer, filter and PA.

Keywords:transmitter module; receiver module; Ku-band

作者简介：

收稿日期：2015-11-24

中图分类号：TN402

文献标识码:A

文章编号：1681-1070（2016）02-0033-04