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Ka波段接收前端的系统组成及工作原理
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  1 引言

  随着电子信息技术的飞速发展,接收前端电路的集成度不断提高,同时功能也日益丰富和复杂。Ka波段接收前端技术是新一代通信卫星的关键技术,也是我国需要突破的关键技术之一 。此项技术研究对我国的新型通信卫星的研发具有重要意义。由于Ka波段接收机具有频率高、信息容量大、抗干扰性强等特点,目前我国的新型通信卫星多采用该项技术。因此,研制高性能的Ka波段接收组件迫在眉睫。

 

  2 系统组成及工作原理

  该组件主要由射频通道、混频、中频通道三个功能单元组成。射频通道的主要功能是:将射频信号进行线性放大,然后由滤波单元抑制镜像频率、带外杂波,避免干扰信号消耗混频器的动态范围,并减少到达混频器的噪声。射频信号经下变频后进入中频通道。中频通道的主要功能是:滤除本振泄漏及本振、射频的高次混出的杂波。将有用信号进行线性放大。组件原理框图如图1所示:

  

Ka波段接收前端的系统组成及工作原理

  图1 Ka波段变频组件原理框图

  组件各部分指标分配如下表1:

  表1 组件各部分指标

  

  3 电路设计

  3.1 系统设计

  在此组件中,低噪声放大器看成为第一级,而后面的混频接收部件可看成为第二级,前级低噪声放大器的增益必须足够高,才能抑制掉后级噪声的影响。为兼顾噪声系数、动态范围两个指标,低噪放的增益在30dB左右较为合适。整个通道设计了增益余量及可调衰减器,便于后期整机系统调试时信道增益的调整。

  在不考虑镜频噪声时,接收机的噪声系数可以用如下公式计算:。Ka波段接收前端的系统组成及工作原理

  式中,Nf——放大器整机噪声系数

  Nf1,Nf2,Nf3——分别是第1,2,3级的噪声系数

  G1,G2——分别是第1,2级功率增益:

  由上表可以计算出整机指标:

  整机增益:29.5dB5

  整机噪声系数:3.25dB6

  整机线性上限:-24dBm4

  3.2 射频单元设计:

  射频单元由两级低噪放芯片和镜像抑制滤波器级连而成。前级低噪放采用我所自行研制的低噪放芯片。镜像抑制滤波器位于两级低噪放之间,既可以滤除带外杂波,也能改善匹配。

  组件的射频信号与镜频相隔较远,用微带镜像抑制滤波器即可以达到镜像抑制的指标。由于频率较高,微带滤波器须进行3维电磁场仿真。前级低噪声放大器的主要指标是噪声系数,所以匹配电路是按照噪声最佳来设计的,其结构必然偏离驻波比最佳的状态,因此驻波比不会很好,所以镜像抑制滤波器必须有良好的驻波,使前级低噪放和后级混频器都得到良好的匹配。

  3.3 混频单元的设计

  混频器选择hittite公司生产的混频器芯片HMC329。

  混频器的选择主要考虑动态范围、本振频率、插入损耗和本振射频隔离度等指标。其中射频隔离、动态范围等指标又与各端口的匹配状态密切相关。插入损耗尽量小。综合各项指标,选择双平衡混频器较为合适。双平衡混频器有几个特点:混频组合分量少,比单平衡混频器组合谐波成分要少一半,既降低了谐波干扰也改善了谐波能量损耗;隔离度好,可以减小信号通路上的本振泄漏;动态范围大,在射频输入功率较大时也能工作在线性状态。

  3.4 中频单元的设计

  中频单元由中频滤波器和中频放大器组成。中频滤波器为低通滤波器,主要功能是滤掉中频端口的高频信号。中频滤波器的仿真结果如下:

  图2所示为电路板仿真结果,已经考虑了微带线的分布效应。)

  

Ka波段接收前端的系统组成及工作原理

  图2 中频滤波器(左)、镜像抑制滤波器(右)的仿真结果

  根据总体增益的分配,合理选择中频放大器的增益,同时兼顾动态范围等,考虑到可靠性、小型化等因素,最终选择了陶瓷封装的单片放大器。;

  4 电路板及腔体设计

  4.1 接头的选择

  射频接头选择M/A-com公司生产的K型头,其工作频率可以到40GHz。

  4.2 介质片的选择

  由于工作频率较高,介质基片的选择也是非常重要的。在这个组件中,选择的介质基片是罗杰斯5880,基片厚度为0.005”,有利于减少散射和辐射损耗。介电常数εr是2.2 ±0.02,可以帮助减少电路板加工容差变化对图形分布参数的影响。同时,该基片的损耗角正切值也非常小,仅为0.0009,有利于减少损耗。

  4.3 工艺设计

  整个接收通道放置在一块电路板上,避免键合线、跨桥带来的损耗。对盒体进行银层涂镀,外盖采用双层盒盖结合焊锡密封,增强了产品在湿热环境下的可靠性。

  3.4 腔体设计

  本振信号不仅通过传输线泄漏到输出端,还可以通过空间泄漏,所以腔体适合与否对这个指标影响非常大。为了避免微波信号的空间渡越,放大电路与电源电路在盒体内完全隔开,为排除电磁干扰,各腔体间电源通过穿芯电容连接。

  组件体积小,40mm×60mm×15mm3。

  5 技术难点

  5.1 Ka波段镜像抑制滤波器的设计

  该组件中我们采用微带滤波器来实现射频和中频滤波器,既便于匹配又大大减小了组件体积。

  5.2 高抑制度及小本振泄漏的实现

  为了减小微带滤波器的天线效应、避免微波信号的空间渡越,放大电路、微带滤波器电源电路在盒体内完全隔开,各腔体间电源通过穿芯电容连接。

  6 设计结果

  根据上述理论进行设计,我们研制Ka波段接收前端,其噪声系数及稳定度均达到了较高水平。具体性能指标如下表2。

  表2 性能指标

  

  7 结论

  通过对多芯片射频接收前端的系统级的仿真,实现了接收系统的噪声系数、功耗、镜像抑制和杂波抑制的分析,有效的开展电路设计。目前Ka波段接收前端已研制成功。优良的性能指标使得该组件在精确制导、毫米波雷达、电子对抗、通信等领域具有广阔的应用前景


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