131 1300 0010
1 引言
隨著電子信息技術的飛速發展，接收前端電路的集成度不斷提高，同時功能也日益豐富和復雜。Ka波段接收前端技術是新一代通信衛星的關鍵技術，也是我國需要突破的關鍵技術之一 。此項技術研究對我國的新型通信衛星的研發具有重要意義。由于Ka波段接收機具有頻率高、信息容量大、抗干擾性強等特點，目前我國的新型通信衛星多采用該項技術。因此，研制高性能的Ka波段接收組件迫在眉睫。
2 系統組成及工作原理
該組件主要由射頻通道、混頻、中頻通道三個功能單元組成。射頻通道的主要功能是：將射頻信號進行線性放大，然后由濾波單元抑制鏡像頻率、帶外雜波，避免干擾信號消耗混頻器的動態范圍，并減少到達混頻器的噪聲。射頻信號經下變頻后進入中頻通道。中頻通道的主要功能是：濾除本振泄漏及本振、射頻的高次混出的雜波。將有用信號進行線性放大。組件原理框圖如圖1所示：
圖1 Ka波段變頻組件原理框圖
組件各部分指標分配如下表1：
表1 組件各部分指標
3 電路設計
3.1 系統設計
在此組件中，低噪聲放大器看成為第一級，而后面的混頻接收部件可看成為第二級，前級低噪聲放大器的增益必須足夠高，才能抑制掉后級噪聲的影響。為兼顧噪聲系數、動態范圍兩個指標，低噪放的增益在30dB左右較為合適。整個通道設計了增益余量及可調衰減器，便于后期整機系統調試時信道增益的調整。
在不考慮鏡頻噪聲時，接收機的噪聲系數可以用如下公式計算：。
式中，Nf——放大器整機噪聲系數
Nf1，Nf2，Nf3——分別是第1，2，3級的噪聲系數
G1，G2——分別是第1，2級功率增益：
由上表可以計算出整機指標：
整機增益：29.5dB5
整機噪聲系數：3.25dB6
整機線性上限：-24dBm4
3.2 射頻單元設計：
射頻單元由兩級低噪放芯片和鏡像抑制濾波器級連而成。前級低噪放采用我所自行研制的低噪放芯片。鏡像抑制濾波器位于兩級低噪放之間，既可以濾除帶外雜波，也能改善匹配。
組件的射頻信號與鏡頻相隔較遠，用微帶鏡像抑制濾波器即可以達到鏡像抑制的指標。由于頻率較高，微帶濾波器須進行3維電磁場仿真。前級低噪聲放大器的主要指標是噪聲系數，所以匹配電路是按照噪聲最佳來設計的，其結構必然偏離駐波比最佳的狀態，因此駐波比不會很好，所以鏡像抑制濾波器必須有良好的駐波，使前級低噪放和后級混頻器都得到良好的匹配。
3.3 混頻單元的設計
混頻器選擇hittite公司生產的混頻器芯片HMC329。
混頻器的選擇主要考慮動態范圍、本振頻率、插入損耗和本振射頻隔離度等指標。其中射頻隔離、動態范圍等指標又與各端口的匹配狀態密切相關。插入損耗盡量小。綜合各項指標，選擇雙平衡混頻器較為合適。雙平衡混頻器有幾個特點：混頻組合分量少，比單平衡混頻器組合諧波成分要少一半，既降低了諧波干擾也改善了諧波能量損耗；隔離度好，可以減小信號通路上的本振泄漏；動態范圍大，在射頻輸入功率較大時也能工作在線性狀態。
3.4 中頻單元的設計
中頻單元由中頻濾波器和中頻放大器組成。中頻濾波器為低通濾波器，主要功能是濾掉中頻端口的高頻信號。中頻濾波器的仿真結果如下：
圖2所示為電路板仿真結果，已經考慮了微帶線的分布效應。）
圖2 中頻濾波器（左）、鏡像抑制濾波器（右）的仿真結果
根據總體增益的分配，合理選擇中頻放大器的增益，同時兼顧動態范圍等，考慮到可靠性、小型化等因素，最終選擇了陶瓷封裝的單片放大器。;
4 電路板及腔體設計
4.1 接頭的選擇
射頻接頭選擇M/A-com公司生產的K型頭，其工作頻率可以到40GHz。
4.2 介質片的選擇
由于工作頻率較高，介質基片的選擇也是非常重要的。在這個組件中，選擇的介質基片是羅杰斯5880，基片厚度為0.005”，有利于減少散射和輻射損耗。介電常數εr是2.2 ±0.02，可以幫助減少電路板加工容差變化對圖形分布參數的影響。同時，該基片的損耗角正切值也非常小，僅為0.0009，有利于減少損耗。
4.3 工藝設計
整個接收通道放置在一塊電路板上，避免鍵合線、跨橋帶來的損耗。對盒體進行銀層涂鍍，外蓋采用雙層盒蓋結合焊錫密封，增強了產品在濕熱環境下的可靠性。
3.4 腔體設計
本振信號不僅通過傳輸線泄漏到輸出端，還可以通過空間泄漏，所以腔體適合與否對這個指標影響非常大。為了避免微波信號的空間渡越，放大電路與電源電路在盒體內完全隔開，為排除電磁干擾，各腔體間電源通過穿芯電容連接。
組件體積小，40mm×60mm×15mm3。
5 技術難點
5.1 Ka波段鏡像抑制濾波器的設計
該組件中我們采用微帶濾波器來實現射頻和中頻濾波器，既便于匹配又大大減小了組件體積。
5.2 高抑制度及小本振泄漏的實現
為了減小微帶濾波器的天線效應、避免微波信號的空間渡越，放大電路、微帶濾波器電源電路在盒體內完全隔開，各腔體間電源通過穿芯電容連接。
6 設計結果
根據上述理論進行設計，我們研制Ka波段接收前端，其噪聲系數及穩定度均達到了較高水平。具體性能指標如下表2。
表2 性能指標
7 結論
通過對多芯片射頻接收前端的系統級的仿真，實現了接收系統的噪聲系數、功耗、鏡像抑制和雜波抑制的分析，有效的開展電路設計。目前Ka波段接收前端已研制成功。優良的性能指標使得該組件在精確制導、毫米波雷達、電子對抗、通信等領域具有廣闊的應用前景
