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专业!X和Ku波段小尺寸无线电设计

2017-02-23 11:59
瑾年Invader
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摘要

卫星通信、雷达和信号情报(SIGINT)领域的许多航空航天和防务电子系统早就要求使用一部分或全部X和Ku频段。随着这些应用转向更加便携的平台,如无人机(UAV)和手持式无线电等,开发在X和Ku波段工作,同时仍然保持极高性能水平的新型小尺寸、低功耗无线电设计变得至关重要。本文介绍一种新型高中频架构,其显著削减了接收机和发射机的尺寸、重量、功耗与成本,而系统规格不受影响。由此产生的平台与现有无线电设计相比,模块化程度、灵活性和软件定义程度也更高。

近年来,推动RF系统实现更宽带宽、更高性能、更低功耗,同时提高频率范围并缩小尺寸的力量越来越强大。这一趋势已成为技术进步的驱动力,RF器件的集成度远超以往所见。有许多因素在推动这一趋势。

卫星通信系统为了发送和接收每天收集到的数TB数据,对数据速率的要求已达到4 Gbps。这一要求推动系统的工作频率提高到Ku和Ka波段,原因是在这些频率上更容易实现更宽的带宽和更高的数据速率。这势必导致通道密度更高,每通道的带宽更宽。

在信号情报领域,性能要求也在不断提高。此类系统的扫描速率越来越高,故而要求系统具有快速调谐PLL和宽带宽覆盖范围。对尺寸更小、重量更轻、功耗更低(SWaP)和集成度更高系统的需求,源于业界希望在现场操作手持式设备,以及希望提高大型固定位置系统的通道密度。

相控阵的发展同样得益于单芯片RF系统集成度的提高。集成让收发器越来越小,使得每个天线元件都可以有自己的收发器,进而促使模拟波束赋形向数字波束赋形转变。通过数字波束赋形,单一阵列可以同时追踪多个波束。相控阵系统应用广泛,包括天气雷达和定向通信等。由于低频信号环境变得越来越拥堵,许多应用不可避免地要求提高频率。

本文介绍如何利用一种高度集成的架构来应对上述挑战,该架构将AD9371收发器用作中频接收机和发射机,使得整个中频级及其相关器件都可以从系统中移除。文中比较了传统系统与提议的架构,并举例说明了如何通过典型设计流程来实现此架构。具体说来,使用集成收发器可以实现一些高级频率规划,这是标准超外差样式收发器做不到的。

超外差架构概述

超外差架构由于能实现很高的性能而成为多年来的首选架构。超外差接收机架构通常包括一个或两个混频级,混频级馈入模数转换器(ADC)。典型超外差收发器架构如图1所示。

专业!X和Ku波段小尺寸无线电设计

图1.传统X和Ku波段超外差接收和发射信号链

第一转换级将输入RF频率上变频或下变频至带外频谱。第一IF(中频)的频率取决于频率和杂散规划、混频器性能以及RF前端使用的滤波器。然后,第一IF向下转换为ADC可以数字化的较低频率。虽然ADC在处理更高带宽的能力上取得了巨大进步,但为达到最优性能,其频率上限目前是2 GHz左右。输入频率更高时,必须考虑性能损失,而且更高输入频率要求更高时钟速率,这会导致功耗上升。

除混频器外,还有滤波器、放大器和步进衰减器。滤波用于抑制不需要的带外(OOB)信号。若不加抑制,这些信号会在目标信号上产生杂散,使目标信号很难或无法进行解调。放大器设置系统的噪声系数和增益,提供足够高的灵敏度以接收小信号,同时又不是太高以至于ADC过度饱和。

还有一点需要注意,此架构常常需要使用表面声波(SAW)滤波器以满足ADC严格的抗混叠滤波器要求。SAW滤波器会提供急剧滚降性能以满足这些要求,但同时也会带来明显的延迟和纹波。

图2所示为一个X波段超外差接收机频率规划示例。该接收机希望接收8 GHz和12 GHz之间的信号,带宽为200 MHz。目标频谱与可调谐本振(LO)混频,产生5.4 GHz IF。然后,5.4 GHz IF与5 GHz LO混频以产生最终的400 MHz IF。最终IF范围是300 MHz至500 MHz,这是很多ADC能够发挥良好性能的频率范围。

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图2.X波段接收机频率规划示例

接收机的重要特性

除了熟知的增益、噪声系数和三阶交调截点特性以外,影响接收机架构频率规划的其他典型特性包括镜像抑制、IF抑制、自发杂散和LO辐射。

镜像杂散——目标频段之外的RF,其与LO混频产生IF的干扰。

IF杂散——IF频率的信号,其通过混频器之前的滤波潜入,显示为IF干扰。

LO辐射——来自LO的RF泄漏到接收机链的输入连接器。LO辐射是可以检测到的,即使在仅接收的工作模式下也能检测(参见图3)。

自发杂散——接收机内部的时钟或本振混频导致的IF杂散。

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图3.LO辐射泄漏通过前端返回

镜像抑制特性同时适用于第一和第二混频级。在X和Ku波段的典型应用中,第一混频级的中心频率可以是5 GHz到10 GHz范围的高IF。这里需要高IF,原因是镜像频率为Ftune + 2 × IF,如图4所示。IF越高,镜像频段离得越远。此镜像频段必须在其到达第一混频器之前加以抑制,否则此范围内的带外能量会表现为第一IF中的杂散。这是通常使用两个混频级的主要原因之一。如果只有一个混频器,并且IF为数百MHz,那么将很难在接收机前端中抑制镜像频率。

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图4.混频进入IF的镜像

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