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

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。[page]

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。[page]

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

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。