W波段收发前端设计研究

郭丽芳，张 松，尤小泉，王 飞，刘 淦，阳 浩

(1.成都工业学院 网络与通信工程学院，四川 成都 611730；2.成都工业学院 电子工程学院，四川 成都 611730)

W波段收发前端设计研究

郭丽芳1，张 松1，尤小泉1，王 飞2，刘 淦1，阳 浩1

(1.成都工业学院 网络与通信工程学院，四川 成都 611730；2.成都工业学院 电子工程学院，四川 成都 611730)

以21.12 GHz为本振信号、93.12～94.136 GHz为射频信号，采用“倍频+超外差发射机”和“超外差接收机”设计了毫米波无线通信系统收发前端模块组件，其中上变频模块尺寸为20 mm×19 mm×82 mm，实现了小型化，用完成的收发前端组件与已有的频率源组成完整的相参性测试系统，并对频率源的相参性进行了验证.

W波段；收发前端；相参性

0 引 言

毫米波变频组件是毫米波无线通信系统的关键组成部分，在便携式应急通信设备中、点对点通信、电子对抗、精确制导武器、相控阵雷达和毫米波成像等各种系统中都有广泛的应用[1-2].在4个“大气窗口”中应用最为广泛的是Ka波段和W波段.由于Ka波段频率相对较低，对Ka波段的研究目前已比较成熟，而受到器件供应和工艺水平的局限，W波段研究和应用相对比较缓慢[3-4].W波段的毫米波仅在小型化、相位噪声、低温共烧陶瓷(LTCC)技术等方面有一些应用[5-7].基于此，本研究以21.12 GHz本振信号、93.12～94.136 GHz射频信号为例，采用超外差发射机和超外差接收机实现了毫米波收发前端组件，同时，利用现有的频率源和研制的变频组件搭建了完整的相参性测试系统，并对现有频率源的相参性进行了验证.

1 毫米波无线通信系统收发前端设计

毫米波无线通信系统收发前端分为发射机前端和接收机前端.由于信号需要经过长距离传输，如果频率较低，则容易在传输过程中衰减，导致接收端接收不到有用信号，所以发射机前端需要将基波频率上变频至较高频率后再经过发射天线发射.经过长距离传输之后的信号，频率较高，功率损耗较大，如果直接传递给用户，可能因为功率过小而导致接收到的信号较差，或者因频率过高导致用户无法使用，故需要将接收端接收到的信号经过下变频与放大之后传送给接收机，然后进行后续的信号处理.

1.1 上变频模块设计

本研究以本振信号21.12 GHz、中频信号8.64～9.656 GHz、射频输出93.12～94.136 GHz为例，设计了一种发射机前端的上变频模块，该上变频模块设计方案如图1所示.

图1上变频模块设计方案

在该发射机前端的方案制定中，本研究重点考虑了以下几个因素.

1)频率.本研究要求本振输入信号频率为21.12 GHz，射频输出频率为93.12～94.136 GHz，因本振信号直接倍频不能得到射频输出的频率要求，所以先对本振信号进行倍频，再与一个扫频源8.64～9.656 GHz上变频，从而达到射频输出频率要求.

2)增益.由于混频器和倍频器在通常情况下都需要较大的输入功率来驱动，所以本方案计划在混频器和倍频器之间分别加一级放大器.此外，由于混频器和倍频器都有变频损耗，还有滤波器等无源器件的插入损耗，并且射频输出功率一般要求较高，故本方案考虑在射频输出端加1个或者2个W波段的放大器.

3)杂散和谐波抑制.为了避免本振和射频的相互干扰，本振到射频的隔离度一般要求较大，所以本研究选取本振驱动功率较小并且各个端口隔离度较大的混频器.变频之后，为了获得相对纯净的射频频谱，在射频输出端增加W波段的滤波器.对于射频输出端所接滤波器要求，通带包含92.12～93.136 GHz，并对4倍频后的84.48 GHz信号、镜像频率4LO-IF、4LO-2IF、4LO+2IF等有用信号附近的干扰信号进行抑制.同时，为了阻止杂散和谐波信号也被放大，特将滤波器放在放大器前面.

在方案实施过程中，为了实现小型化，整个上变频组件分成3个模块，并将倍频器和混频器设计在一个腔体中，混频之后采用单独腔体滤波器，之后的放大器单独放置在一个腔体.设计实物图如图2所示.

图2上变频模块组件实物图

为了获取W波段信号的准确输出功率，本研究将中频信号8.64～9.656 GHz分为128个点进行测试，结果如图3所示.图3中，横坐标表示128个频点，0点对应射频信号的93.12 GHz，127点代表94.136 GHz，纵坐标表示输出功率大小.

从图3可知，经过上变频后的射频输出功率在9.9～10.4 dBm之间，波动不超过0.5 dB，比较平坦.

1.2 下变频模块设计

经过上变频后的射频信号92.12～93.136 GHz通过长距离传输之后到达接收端，功率衰减较大，需要进行下变频至较低频率，才可以传送给用户.本设计要求下变频结果为60 MHz，所以需要在接收机前端将信号频率降低并放大，下变频模块设计方案如图4所示.

图3上变频模块射频输出功率测试结果

图4下变频模块设计方案

在下变频模块设计中，需要重点考虑的参数有噪声系数、灵敏度、增益、动态范围等.

1)接收机的噪声系数，是指接收机内部噪声的大小，定义为输入信噪比与输出信噪比的比值，

(1)

式中，Si为输入信号功率，Ni为输入噪声功率，So为输出信号功率，No为输出噪声功率.对于系统的级联噪声系数，可表示为，

(2)

式中，NFi为系统第i(i=1,2,3,…)级的噪声系数，Gi为第i(i=1,2,3,…)级的增益.由式(2)可得，由于增益一般都比较大，系统级联的噪声系数在很大程度上由第一级噪声系数NF1决定，所以为了降低整个接收机系统的噪声系数，第一级必须选用噪声系数很小的低噪声放大器.

2)接收机的灵敏度，是指接收机能接收到的仍能正常工作的最低信号功率，即灵敏度越高，接收机能接收到更多的较弱信号，如果灵敏度较低，只有较强的信号才可以接收到.灵敏度可以由式(3)表示，

Pin,min(dBm)=-174(dBm/Hz)+10logB+

(SNR)o,min(dB)+NF(dB)

(3)

式中，-174(dBm/Hz)是常温下基底噪声谱密度，B为所接收的频带宽度，(SNR)o,min为指定的输出信噪比，NF为系统的级联噪声系数.

由式(3)得知，在接收频带宽度不变、输出信噪比指定的情况下，接收机的灵敏度与系统的噪声系数有关，噪声系数越小，系统的灵敏度越高.可见，灵敏度和噪声系数是相对矛盾的，二者不可兼得，需要在二者之间选择平衡点.

3)增益表示接收机对信号的放大能力.接收机的增益不是越大越好，增益过大可能引发自激，所以增益要根据实际情况进行调整，最终实现满足系统要求的指标.

4)动态范围表示在接收机正常工作时所能允许的最大输入信号与最小输入信号之间的波动范围.允许输入的最小信号强度值能够检测到最小信号，而允许输入的最大信号强度与正常工作的1 dB压缩点有关，所以，在选择器件时要选择1 dB压缩点较大的器件，以便能有效增加系统的动态范围.

综合上面的因素，在数字中频接收机、零中频接收机和超外差接收机中，选用了超外差接收机.

在设计实现过程中，本研究将下变频组件分为毫米波下变频和微波下变频2部分.为了节约成本，因毫米波下变频是上变频的逆过程，故采用与上变频同样的设计.下变频模块的实物和测试结果如图5所示.

2 毫米波收发前端系统测试

在完成上述变频模块的研究和测试后，本研究利用实验室现有的21.12 GHz信号源、1.74 GHz信号源、6.84～7.856 GHz跳频源信号和已研制的变频模块，设计了完整的相参性测试系统，并对现有频率源的相参性进行了验证.相参性测试系统的结构框图如图6所示.测试结果如图7所示.

从图7可看出，相位差与频点之间成周期线性关系，此结果证明了3个频率源的相参.

图5微波下变频模块

图6相参性测试系统框图

图7 相参性测试结果

3 结 语

本研究基于毫米波的基本理论对毫米波变频模块进行了分析，并以W波段变频组件为例，设计了毫米波发射机和接收机前端的关键模块，最后搭建了相参性测试系统，并对频率源的相参性进行了验证.

[1]甘仲明,张更新,王华力,等.毫米波通信技术与系统[M].北京:电子工业出版社,2003.

[2]Niehenke E C,Stenger P,McCormick T,et al.Aplanar94GHztransceiverwithswitchablepolarization[C]//1993IEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposiumDigest.Atlanta,Georgia,USA:IEEE Press,1993:167-170.

[3]Abu-Ella O,Wang X.Large-scalemultiple-input-multiple-outputtransceiversystem[J].IET Commun,2013,7(5):471-479.

[4]Zhang H,Arslan T,Flynn B.Microwaveimagingofarealisticcancerousphantomusinganultra-widebandantennatransceiversystem[C]//AntennasandPropagationConference(LAPC),2013.Loughborough,UK:IEEE Press,2013:112-116.

[5]邹涌泉,甘体国.W频段机载防撞雷达收发分机[J].电讯技术,2004,44(1):48-51.

[6]曹舟，唐小宏，刘勇.W波段接收机前端中频相位噪声抵消技术研究[C]//2009年全国微波毫米波会议论文集.西安，中国：中国电子学会，2009：1098-1100.

[7]王璞.三毫米前端小型化技术研究[D].成都：电子科技大学，2013.

ResearchonDesignofTransceiverFront-endofW-band

GUOLifang1,ZHANGSong1,YOUXiaoquan1,WANGFei2，LIUGan1，YANGHao1

(1.School of Networking and Communicating Engineering, Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China; 2.School of Electronic Engineering, Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China)

This paper adopts “multiplier+superheterodyne transmitter" and “superheterodyne receiver" to design a millimeter wave wireless communication system front-end module component by using 21.12 GHz as local oscillator and 93.12～94.136 GHz as radio-frequency signal.The size of the up-conversion module is 20 mm×19 mm×82 mm,through which miniaturization is realized.We form a complete test system to test the coherence by combining the current frequency source with the transceiver front-end modules,and verify the coherence of the frequency source.

W-band;transceiver front-end;coherence

TN839

A

1004-5422(2017)04-0394-04

2017-10-09.

四川省教育厅科研计划(15CZ0028)资助项目．

郭丽芳(1989 — )，女，硕士，从事毫米波系统与电路研究.