Board logo

标题: Ka波段接收前端的设计 [打印本页]
作者: Bazinga    时间: 2015-8-19 10:53     标题: Ka波段接收前端的设计

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：



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


电路
指标
射频放大
射频滤波
射频放大
混频
中频滤波
中频放大
输入功率（dBm）
-100
-85
-87
-72
-81
-82
增益（dB）
15
-2
15
-9.5
-1
12
累积增益（dB）
15
13
28
18.5
17.5
29.5
累积噪声（dB）
3
3.04
3.15
3.17
3.18
3.25
输出功率（dBm）
-85
-87
-72
-81
-82
-70



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：


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：29.5dB
整机噪声系数：3.25dB
整机线性上限：-24dBm

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。




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


性能指标
研制结果
噪声系数（dB）
5.2
镜像抑制(dB)
26
带内杂波（dBm）
-72
变频增益（dB）
25.3
增益平坦度（dB）
0.75
本振泄漏（dBm）
-52
输出1dB压缩点（dBm）
12

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。





欢迎光临 电子技术论坛_中国专业的电子工程师学习交流社区-中电网技术论坛 (http://bbs.eccn.com/) Powered by Discuz! 7.0.0