蔡　茂，潘　碑，郁　健，马建军，温艳兵

（南京电子器件研究所，南京 210016）

一种用于高度表测量系统的射频前端收发组件

蔡茂，潘碑，郁健，马建军，温艳兵

（南京电子器件研究所，南京 210016）

简要介绍了高度表测量系统用射频前端收发组件的设计方案。详细阐述了主要功能单元电路和重要技术指标的设计考虑。该射频前端达到的指标为：输出发射功率大于16 W，输出功率全温稳定性小于0.1 dB/10℃，收发隔离大于112 dBc，端口泄漏小于34 dBμV等。

高度表测量系统；射频前端收发组件；发射功率；输出功率全温稳定性；收发隔离；端口泄露

1　前言

近年来，国内微波毫米波技术领域取得长足进步，为各型整机设备研发的微波组件迅速发展[1]。高度表测量系统是各型飞行设备的核心部件，可以实现飞行数据实时采集反馈，以迅速调整飞行姿态，是空地系统信息传输的重要方向，应用前景非常广泛。高度表测量系统主要包括天线系统、射频前端收发组件、大动态中频AGC接收机和信号处理机等主要功能部件[2]。本文就其中的射频前端收发组件整体设计方案进行简要描述，针对射频前端收发组件设计必须解决的频率源抗干扰跳频技术、信号全温稳定性技术以及收发信道高隔离技术等关键问题进行详细分析，并对组件中的其他常规功能电路设计进行阐述。

2　方案和电路设计

射频前端收发组件工作在C波段，是跳频和脉冲工作方式，对发射功率稳定性、收发隔离和端口泄漏等技术指标均有较高要求。

射频前端中的多点跳频源同时产生两个同一参考源的微波信号分别作为发射泵源和接收本振，发射泵源与外加的高中频调制信号混频产生所需的发射信号和无用的边带、杂散信号，这些信号通过滤波器、功率放大器、衰减器、控制开关等电路，最终产生满足整机要求的脉冲发射信号；接收通道将接收到的脉冲信号放大混频产生所需的中频回波信号提供给整机使用；自检支路在收到指令后进行组件的自检工作。

射频前端收发组件整体功能框图如图1所示。

图1　射频前端收发组件功能原理框图

以下就射频前端收发组件设计需要解决的关键技术及功能电路设计做详细阐述。

2.1频率源抗干扰跳频技术

跳频控制单元的核心是逻辑控制器件，目前锁相源设计中采用的控制器件主要有单片机、CPLD和FPGA等。三者均能完成本设计中的控制功能要求，但却各有优劣。

单片机采用的是指令运行的方式，每一指令周期运行一条指令。而对于一般单片机（以PIC单片机为例）而言，每一指令周期由4个时钟周期组成，因而将控制字写入鉴相器时共需要96个指令周期，即384个时钟周期，这在一定程度上增加了跳频时间（以20MHz时钟为例，完成96个指令周期需要19 μs）。另外，单片机在运行中存在程序跑飞的情况，这在一定程度上增加了环路失锁的可能性。

CPLD（复杂可编程逻辑门阵列）不存在指令周期的限制，编程后就是一个能完成预定功能的组合逻辑电路，对本设计而言其串行输出的时钟周期就等于CPLD输入的时钟周期，这将大大缩短将控制字写入鉴相器的时间。相对于FPGA而言，CPLD具有保密性好、可靠性高等优势。

FPGA（现场可编程逻辑器件）其功能与CPLD基本一致，但其规模和逻辑复杂度更高。

综上，从性能、工程成本等方面考虑，将CPLD作为控制单元的逻辑控制器件。

图2　锁相频率源原理框图

频率源的发射本振和接收本振均采用锁相振荡源直接分频锁相产生。CPLD作为控制单元核心器件，完成对外部跳频控制信号译码并向鉴相器写入控制字，实现跳频及输出锁相环失锁指示的功能。VCO输出经过定向耦合器后分为两路，其直通支路输出给外部组件，而耦合支路信号进入鉴相器ADF4107中与晶振信号进行鉴相，经过环路低通滤波后加到VCO的电压调谐端，形成闭环锁相。

相位噪声是频率源的核心指标，与鉴相器、晶振、VCO、环路直接相关。鉴相器ADF4107在10 MHz鉴相的相噪基底约为-149 dBc/Hz，输出的发射本振频率相噪恶化约52.9～53.2 dB，即输出信号相噪为-96.1～-95.8 dBc/Hz@1 kHz。晶振恶化约46.8～47.2 dB，即相噪为-88.2～-87.8 dBc/Hz@1 kHz。则VCO输出频率在1 kHz处相噪为-87.5～-87.2 dBc/Hz@1 kHz。

使用ADIsimPLL软件对锁相环路进行仿真，所得结果见图3。

图3　本振信号相位噪声仿真图

仿真结果显示输出频率 f0的相噪为-87.3 dBc/Hz@1 kHz，与理论计算值保持一致。

跳频速度直接影响频率源抗干扰频点切换，跳频所需的频率建立时间主要由环路带宽决定。

图4　本振信号频率建立时间仿真曲线

从图4可以看出，在200 MHz带宽内频率稳定到1 MHz以内不到15 μs，稳定到1 kHz以内不到30 μs，稳定到10Hz是39μs，可以达到快速跳频的时间要求。

2.2输出信号全温功率稳定性设计

受到微电子器件自身物理特性的影响，微波功率管饱和功率及放大增益在高低温时会有一定幅度的变化。为实现输出功率全温稳定性，需要对功率放大器放大链路电平进行合理分配，使末前级功率管处于浅饱和状态，末级功率管处于1 dB压缩状态，这样可保证功率放大器在全频带、全温范围内均能有稳定的功率输出。

考虑到输出电平的要求，发射模块采用4级推动方式实现功放链路指标。发射链路电平分配如图5所示。

图5　功放链路分配图

功率放大器在工作过程中易产生低频串扰和高频自激，为了防止这一现象，功率管栅、漏级馈电均采用合适的去耦电容，配合馈电电路中加入的防振荡网络，以保证功率放大器可靠、稳定地工作。

2.3收发通道高隔离设计技术

测高系统射频前端工作模式多采用接收连续、发射分时复用模式。为保证测高状态地表回波接收灵敏度，对微波组件信道收发隔离提出较高要求，要求在微波组件内部信号泄露极低，当组件发射端口端接微波负载时，中频信号输出端口频谱监测无泄漏信号。

收发通道信号串扰的途径主要包括空间和电路两个方面。本电路设计中通过设置衰减器、隔离器、选通滤波器等措施，尽量消除特性阻抗突变的环节，消除可能出现的无谓的电磁辐射；各单元电路间的直流、脉冲信号馈线均通过穿芯电容或馈通滤波器实现；组件腔体结构设计上采用分腔设计、内嵌盖板、窄槽设计等方式，确保微波信号的空间隔离。

通过以上3个方面的设计，有效保障了微波组件收发信道隔离度。当发射通道正常工作时（信号功率大于42dBm），实测中频输出端口信号幅值小于-75dBm，收发隔离达到117 dBc以上。

2.4上变频模块设计

上变频模块用于发射本振与输入调制信号混频，得到需要的发射频率，并采用滤波器对组件上变频后的载波和边带信号进行抑制。由于输入信号为调制信号，需要考虑适当拓宽滤波器带宽，包纳主要副瓣，以满足中频调制信号的信号带宽要求。上变频模块设计框图如图6所示。

图6　上变频模块原理框图

2.5控制模块设计

控制模块主要包括3部分:二态衰减器、耦合器以及一个单刀单掷开关。

衰减部分采用两态衰减器控制，可以稳定、可靠地实现输出功率电平大小的切换。

耦合器采用λg/4耦合线设计，可以较好地实现信号主路与耦合路之间的相互隔离。

具体微波电路结构图见图7。

图7　控制模块微波原理框图

2.6自检模块设计

自检模块包括定向耦合器、自检微波开关和衰减器，见图8。

衰减器用于控制系统自检时系统接收部分通过定向耦合器接收的输入信号电平。设计衰减量约20dB，采用三级衰减器以方便调整。

自检微波开关用于控制自检状态下输入到接收支路的信号，需要实现较高的隔离度，才能尽量减弱发射工作状态下泄漏信号对接收支路的影响。设计采用PIN开关电路5级管芯全并联的结构设计，满足设计要求，并且可以实现工作与自检状态的快速切换。

定向耦合器采用标准λg/4电长度设计，以尽量减弱耦合支路对主路信号的影响[3]。设计耦合度20 dB、插损0.1 dB。

图8　自检模块功能框图

2.7接收模块设计

接收模块包括限幅器、低噪声放大器、镜像抑制混频器和中频放大器4部分功能电路，见图9。

限幅器采用两级限幅管芯设计，既能满足功率要求，又可减少插损，提高接收灵敏度。

低噪声放大器要求主要是适当高的增益和尽可能低的噪声系数，适当的增益既可以满足接收支路增益要求、又可以降低后级电路的噪声贡献。设计增益24 dB、噪声系数1.0 dB、1 dB压缩功率大于-20 dBm，可以满足整个通道的噪声系数、动态范围的要求。综合考虑组件布局，加入2 dB温补衰减器以补偿全温状态系统增益变化。

混频电路主要实现下变频和放大中频信号幅度至系统要求的电平。该处混频器的镜像抑制度在25dB左右，可以有效消除镜频噪声对接收通道的影响，满足组件的镜像抑制度要求。中放与π型衰减器配合使用，以保证接收支路的总增益。

图9　接收模块功能框图

3　测试结果

根据上述设计思路，完成了接收机样品的研制，实物产品如图10所示。经过测试，产品主要技术指标测试结果如表1所示。

图10　接收机样品实物图

表1　主要指标测试内容及结果

4　结论

本文介绍了一种高度表测量系统用射频前端组件的设计方案和细节。射频前端组件较好地实现射频信号产生、发射输出、接收放大和信号变频等功能，重点解决了收发隔离高、发射功率稳定性、杂波抑制等技术问题。目前，该产品已成功应用于某高度表测量系统中，可以作为同类型产品的设计参考。

[1]顾其诤，项家桢，袁孝康.微波集成电路设计[M].北京：人民邮电出版社，1978.

[2]弋稳.雷达接收机技术[M].北京：电子工业出版社，2014.

[3]清华大学《微带电路》编写组.微带电路[M].北京：人民邮电出版社，1975：171.

A Design of RF Front-end TR Module for Altimeter Measuring System

CAI Mao,PAN Bei,YU Jian,MA Jianjun,WEN Yanbing
（Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016,China）

The paper briefly introduces a design of the RF front-end TR module for altimeter measuring system.The design of main functional circuit along with the technological indicators is discussed in details. The RF front-end achieves an output transmit power of 16W and higher;the whole temperature stability for output power is less than 0.1 dB/10℃;the transmit-receive isolation is greater than 112 dBc and the port leakage is below 34 dBμV.

altimeter measuring system;RF front-end TR module;transmit power;whole temperature stability for output power;transmit-receive isolation;port leakage

TN402

A

1681-1070（2016）11-0027-04

2016-5-20

蔡茂（1981—），男，四川简阳人，中国电子科技集团公司第55研究所工程师，从事微波电路设计与研究；

潘碑（1981—），男，四川泸州人，中国电子科技集团公司第55研究所高级工程师，从事微波电路设计与研究；

郁 健（1972—），男，江苏启东人，中国电子科技集团公司第55研究所高级工程师，从事微波电路设计与研究；

马建军（1965—），男，江西南昌人，中国电子科技集团公司第55研究所研究员级高级工程师，从事微波电路设计与研究；

温艳兵（1980—），男，山西太谷人，中国电子科技集团公司第55研究所高级工程师，从事微波电路设计与研究。