王绪宁，孙书良，陈 强

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

随着卫星导航系统的发展，各种导航系统的交互应用日益紧密，衍生出来的各种组合导航系统都对接收下变频器提出了更高的要求。卫星导航跟踪站系统对接收下变频器要求更高，要求小型化、低功耗。对设备的体积限制在100 mm×80 mm×30 mm范围内，对功耗要求＜5 W。该设备同时要求相位噪声指标在100 Hz处 ＜ －85 dBc/Hz［1］;1 kHz处 ＜－90 dBc/Hz;10 kHz处 ＜ －95 dBc/Hz;100 kHz处＜ －100 dBc/Hz。

以上关于体积、功耗以及相位噪声的要求对下变频器是一个全新的挑战，以往地面系统中单路下变频器的体积要求就差不多这么大，而这个项目中要求设计8个通道的下变频，难度是相当大的，设计难点在于多通道的杂散抑制、低功耗和散热等。先期采购的业界产品体积都较大，体积达到180 mm×100 mm×40 mm，本设计突破传统的微波电路设计理念，突破电路设计极限，研制出满足要求的产品。

1 本振设计

卫星导航跟踪站系统要求设计的多通道下变频器频率配置如表1所示。

表1 多通道下变频器频率配置

从表1可看出，本振频率覆盖1 050～1 480 MHz［2］，目前成熟应用的内置 VCO的 PLL芯片有ADF4350、HMC830 和 RFFC5071 等［3］，从相位噪声指标上说 HMC830优于 ADF4350，RFFC5071相噪与HMC830几乎相当，功耗上 RFFC5071优于HMC830和ADF4350。以上3款芯片的功耗分别为HMC830∶1.2 W，ADF4350:0.4 W，RFFC5071∶0.3 W，8路信号分别约为10 W、3 W 和 2.5 W，在以上3款PLL芯片中，优选RFFC5071，该芯片功耗最低，相噪指标好，而且该芯片内置混频器，可以配置高线性状态，高线性状态下输入IP3为+23 dBm，电流为125 mA，功耗为0.375 W。

为了追求低功耗、小型化，期望电流能够达到最小。显然RFFC5071芯片相对来说已经具有很低的功耗，但这个功耗还不是最小的。在内置VCO的锁相芯片产生之前，都是采用分立器件实现本振源［4］，即由鉴相器、VCO和环路滤波器组成，PLL芯片采用ADF4112、VCO由MINI厂家生产，无源环路滤波由 R、C 组成［5，6］。该组成功耗为 0.127 W，这个功耗近乎只有RFFC5071的30%，而且据工程经验分立器件环路锁相源相噪指标满足设计要求，该方案缺点在于电路稍微复杂一些，成本略高一些。

2 混频器选择

在以往的工程中成熟应用的混频器有SYM－25D、HMC422、HMC915、HMC217MS8 和 MAX2681等［7］，以上器件的技术参数如表2所示。

表2 混频器技术参数

从表2可以看出，以上5种混频器HMC915的指标最好，但该器件的功耗太大，不符合低功耗的要求;MAX2681的输入IP3指标最差，但是综合它的LO电平和增益［8］，这款芯片还是具有较大的优势，通过优化输入信号链路放大器增益，可以避免IIP3指标对下变频器整机的性能影响，而且相对其他4种混频器，它是有正增益的，相当于省下了一级15 dB增益的放大器件。就体积来说，该器件也是上述器件中最小的，符合小型化设计的需求，唯一相对麻烦的是，它的各端口隔离度是靠外围L、C滤波实现的［9］，根据频点的不同，电感电容的值略有不同，但这些都是可以在设计过程中固化的。

3 放大器件的选择

在以往的工程中成熟应用的放大器有ERA－3SM、UPC2712、SBF －5043、ERA －5SM 和 SBB －4089等，以上器件的技术参数如表3所示。

表3 放大器技术参数

从表3可以看出，以上5种放大器件中，性能指标最好的是SBB－4089［10］，该器件具有较高的线性度，带内增益非常平坦，但是其功耗较大，用在本设计中不符合低功耗的设计理念。而SBF－5043器件电流可调，在中频段可以低电流状态获得很大的增益，在高频段该器件增益约为14 dB，易于级连，避免电路自激，该器件电流仅为10 mA，具有较高的线性度，外围电路简单，体积小，基于以上特点，本设计放大器选择SBF－5043。

4 电路设计

微波电路设计通常采用介电常数较低的聚四氟乙烯双层板材，这样电路可以有较小的线路损耗，获得较好的微波特性，然而本设计中电路集成度太高，双层板不可能实现，所以本设计采用介电常数4.7的环氧树脂4层板材。多通道下变频器的原理图如图1所示。

图1 变频器原理

多通道下变频器设计采用2块PCB，每个PCB上布局4个下变频通道，时频10 MHz分路通常采用功分器进行，以实现严格的阻抗匹配，但本设计需进行小型化设计，众多的功分器组，或者1分8路功分器均占较大的面积，且走线复杂，易串入低频干扰，本设计为了小型化，采用直接在输入时频信号线路上分8根时频线，不考虑阻抗匹配，分8路后的时频信号均通过SN74AHC1G04DBVR非门整形成方波后送入鉴相器 ADF4112，工程实践表明该方法有效。

图1中，射频信号的功分网络为了小型化摒弃了以往采用功分器件的方法，射频信号输入后进行2级放大，然后接数控衰减器，数控衰减器输出后直接分成2路信号线，此处不考虑50 Ω阻抗匹配，分成2路射频信号分别通过T型电阻网络分成4路，其损耗用1级放大器补偿即可。分路后的8路信号分别进行射频滤波处理送入混频器作为混频器的RF信号。

考虑到印制板上的器件过多，印制板设计采用分层次设计，即变频及中频放大滤波在正面，本振设计在背面，射频放大器、数控衰减器和射频功分网络布局在两面均有，与其他信号隔腔处理。由于器件多，走线复杂，印制板4层信号分别设计依次为:信号层1、地层1、地层2和信号层2。信号层1与地层1走线过孔采用埋盲孔，信号层2与地层2走线过孔采用埋盲孔，这样走线避免串扰，地层1、地层2兼布一些控制线。本振设计均在背面，屏蔽盒中间对每路本振信号均隔腔处理。

8 个通道的鉴相器 ADF4112［11，12］的寄存器配置应用单片机PIC12C508A，这样就可以避免单片机集中控制带来的走线过多问题，这样有利于分腔屏蔽。数控衰减器的配置采用单片机ATMEGA8L，输出的串口数据经ADM101转换为RS232，直接与计算机通信。电源处理采用开关稳压器与LDO混合应用，开关稳 压器采 用 LT3972EMSE，LDO 选 用HMC1060，这样可以提供电源效率，降低由于全部应用线性稳压器带来的热量损耗。最终设计的接收多通道下变频器能够实现的功能如下:①温度检测功能(DS1620);② 增益控制功能(HMC624LP4);③过压过流检测(MAX4375);④本振锁定指示检测;⑤ 提供 LNA电源;⑥ LNA故障检测(MAX4375)。接收多通道下变频器的腔体结构图如图2所示。

图2 接收多通道下变频器结构

为了增强抗电磁干扰性能，屏蔽盖板上设计隔腔卡槽，同时要求固定盖板的螺钉尽可能的多一些。

5 加工测试及结果分析

接收多通道下变频器的实物图如图3所示。接收多通道下变频器的测试技术指标如表4所示。

图3 接收多通道下变频器实物图

表4 下变频器实测指标

从测试结果可以看出，测试指标完全满足设计要求，以上指标相比业界厂家订制产品的指标均有所提高。从图3可以看出，自研的产品外型上尚有较大的改进空间。内部腔体结构也有一定的改进空间，通过合理的、精细化的电路设计，可以将屏蔽盒内的2个隔腔去掉，这样在安装上可以更方便一些。

6 结束语

经过小型化、低功耗设计的接收多通道下变频器完全满足设计要求，同时也积累了很多设计经验，如此类多通道下变频器只需要对本振进行隔腔处理，其他部分不用分腔。从图2可以看出，如果改变固定方式的话，体积可以缩小到≤77.5 mm×70 mm×26 mm，通过优化链路增益，可以进一步降低功耗。

本设计与业界厂家订制的产品比较，体积和功耗均小，同时指标也优于各厂家产品。该设计为具有同类设计需求的项目提供了设计参考，同时设备还具有进一步的改进空间，通过加强合理化布局，能够进一步缩小体积。

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