吳亮亮

(中國電子科技集團(tuán)公司13 所 第17 專業(yè)部，河北 石家莊 050051)

隨著電子技術(shù)和航空通信的不斷發(fā)展，機(jī)載設(shè)備性能的優(yōu)劣已成為現(xiàn)代飛機(jī)先進(jìn)與否的重要標(biāo)志之一。為了最大限度增加飛機(jī)的有效載荷和續(xù)航能力，要求機(jī)載設(shè)備體積小、重量輕、功耗小。收發(fā)信機(jī)作為重要的機(jī)載設(shè)備之一，是遙控數(shù)據(jù)及圖像數(shù)據(jù)的主要傳輸通信工具，其質(zhì)量影響系統(tǒng)的通信效果，對整個系統(tǒng)動態(tài)性能起到關(guān)鍵作用［1－2］。針對機(jī)載設(shè)備要求，本文給出了一種外形尺寸僅為65 mm×65 mm×20 mm，重量僅130 g 的L 波段收發(fā)信機(jī)的實現(xiàn)方法。

1 設(shè)計原理和構(gòu)成方案

收發(fā)信機(jī)［3－5］主要由發(fā)射通道、接收通道和本振源等組成，原理框圖如圖1 所示。發(fā)射通道的主要作用是將輸入的中頻信號變頻至射頻信號，再進(jìn)行放大濾波等處理，使信號達(dá)到一定功率輸出。采用一次上變頻的方式，主要由濾波器、混頻器、推動級放大器、末級功率放大器等組成。

接收通道的主要作用是從空間接收到的電磁波中選出有用信號，變頻至中頻信號并放大濾波輸出。采用一次下變頻的方式，主要由濾波器、低噪聲放大器、混頻器、AGC 放大器等組成。本振源的主要作用是為發(fā)射通道和接收通道提供混頻所需的本振信號，主要由晶振、頻率鎖相源、單片機(jī)等組成。

發(fā)射通道和接收通道共用天線口，通過TTL 電平控制收發(fā)開關(guān)實現(xiàn)分時工作，發(fā)射占空比為25%。當(dāng)發(fā)射通道工作時，信號先進(jìn)入中頻開關(guān)，其主要作用是控制發(fā)射信號的通斷，同時對接收信號有一定的隔離。之后信號上變頻至射頻信號，通過推動放大進(jìn)入末級放大器輸出功率，最終經(jīng)過收發(fā)開關(guān)輸出到天線口;當(dāng)接收通道工作時，信號先經(jīng)過收發(fā)開關(guān)進(jìn)入限幅器，其作用主要是抗大功率燒毀。之后進(jìn)入預(yù)選濾波器，對信號選頻，保證信號工作帶寬及帶外抑制要求。再經(jīng)低噪聲放大，混頻濾波至中頻信號，最后AGC 放大輸出。

圖1 收發(fā)組件原理框圖

2 電路優(yōu)化設(shè)計

2.1 發(fā)射通道設(shè)計

發(fā)射通道的主要指標(biāo)是發(fā)射功率、三階互調(diào)、帶內(nèi)平坦度等。通過選取合適的器件及電路布局，以滿足指標(biāo)要求。

(1)發(fā)射功率的實現(xiàn)［6］。射通道推動級放大電路由2 級放大器組成，前級放大器為寬帶放大單片，后級放大器選取富士通公司的中功率砷化鎵功率管FLL107ME，其1 dB 壓縮點為29.5 dBm，滿足末級放大器的推動需求。末級放大器選取富士通公司的大功率砷化鎵功率管FLL120MK，其1 dB 壓縮點為40 dBm，滿足發(fā)射通道功率輸出要求。FLL120MK 功率增益曲線如圖2 所示。

圖2 FLL120MK 功率增益曲線

(2)三階互調(diào)的實現(xiàn)。通常情況下，如果功放鏈增益不高，功率放大器在1 dB 壓縮點輸出的三階互調(diào)約為－18 dBc，發(fā)射通道的推動級放大器和末級放大器均工作在1 dB 壓縮點以下，滿足三階互調(diào)指標(biāo)。

(3)帶內(nèi)平坦度的實現(xiàn)。發(fā)射通道的前級均為寬帶器件，帶內(nèi)平坦度主要由混頻后的射頻濾波器及后兩級富士通功率管決定。通過選取合適的濾波器及調(diào)整功率管的匹配，使帶內(nèi)平坦度滿足使用要求。

(4)電源控制電路。發(fā)射電路選用砷化鎵功率管，其工作時要求先加負(fù)壓再加正壓。在功放的電源部分加入時序電路，防止負(fù)壓沒有加上而導(dǎo)致瞬態(tài)電流過大燒毀功率管或引起電源過流保護(hù)。在電源部分加入TTL 調(diào)制電路，通過高低電平控制功放正壓的通斷，配合輸入端的單刀單擲開關(guān)及輸出端的單刀雙擲開關(guān)，實現(xiàn)收發(fā)隔離及切換。電源控制電路如圖3 所示。

圖3 電源控制電路原理圖

2.2 接收通道設(shè)計

在接收通道的設(shè)計中，增益、噪聲系數(shù)、收發(fā)隔離、動態(tài)范圍等都是重要指標(biāo)，低噪聲放大單元和AGC 放大單元的設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的重點［7］。

(1)低噪聲放大單元。系統(tǒng)的前幾級決定了噪聲系數(shù)的大小，因此低噪聲部分設(shè)計時，合理地選擇元器件、分配噪聲和增益，尤為重要。收發(fā)切換開關(guān)作為接收通道的第一級，要求具有較小的插損，同時其作為發(fā)射通道的最后一級，也必須具有高隔離度及通過大信號的能力。限幅器及預(yù)選濾波器在滿足電性能指標(biāo)和體積要求的情況下，也應(yīng)使插損盡可能的小。低噪聲放大器必須具備高增益低噪聲的性能，接收通道選用萬通公司的低噪聲放大器WHM14－3020AE，噪聲系數(shù)＜0.5，增益為31 dB。

(2)AGC 放大單元［8－9］。AGC 放大單元選用2 片AD 公司的AD8367 級聯(lián)實現(xiàn)。AD8367 是一個兼有VGA(壓控放大)和AGC(自動增益控制放大)功能的可變增益中頻放大器，可在DC ～500 MHz 范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，最大增益可達(dá)42.5 dB，具有45 dB 可控范圍。相比傳統(tǒng)電路，AD8367 在實現(xiàn)AGC 功能時利用自身的平方根檢波器檢波控制，省去了耦合器、檢波器等外圍電路。

兩級AD8367 級聯(lián)實現(xiàn)AGC 功能一般有兩種電路連接方式:一種是利用內(nèi)置檢波器構(gòu)成AGC 電路。級聯(lián)時，前級工作于VGA 模式，后級工作于AGC 模式，后級的檢波輸出電平作為兩級共同的增益控制輸入;另一種是利用外部檢波器構(gòu)成AGC 電路。級聯(lián)時兩級均工作在VGA 模式，外部檢波電路給出的檢波電平控制兩級的增益，閉環(huán)形成AGC 功能。兩種工作方式如圖4 和圖5 所示。

圖4 內(nèi)置檢波級聯(lián)方式

圖5 外部檢波級聯(lián)方式

兩種連接方式各有優(yōu)缺點。第一種方式電路簡單、AGC 響應(yīng)時間快，但由于第二級內(nèi)部檢測的實際上是信號加噪聲的功率，在信號本身功率小，噪聲帶寬又很寬的情況下，AGC 對信號功率估測誤差偏大，導(dǎo)致AGC 調(diào)整不夠準(zhǔn)確;第二種方式可對信號進(jìn)行濾噪處理，AGC 控制精確，但由于增加外部電路，電路結(jié)構(gòu)較第一種復(fù)雜，且AGC 響應(yīng)時間長?？紤]到整機(jī)體積及AGC 動態(tài)范圍并不高，這里選用第一種連接方式。

AD8367 輸入阻抗為200 Ω，當(dāng)輸入匹配時，輸出級是一個低輸出電壓緩沖器，具有50 Ω 阻抗。當(dāng)阻抗不匹配時，會引起較大的駐波和反射損耗，降低動態(tài)控制范圍，甚至容易發(fā)生自激。AD 公司推薦的電阻匹配方式如圖6 所示。

圖6 AD8367 采用電阻網(wǎng)絡(luò)匹配

但實際應(yīng)用中，這種方式會產(chǎn)生較大的插損，約為11 dB。AD8367 的小信號增益為42.5 dB，可計算級聯(lián)的增益為

由式(1)可知，AGC 動態(tài)范圍達(dá)不到65 dB 以上。這里采用1∶4 的阻抗變換器，實現(xiàn)50 ～200 Ω 的變換，如圖7 所示。

圖7 AD8367 采用阻抗變換器匹配

實際測得變換插損約5 dB，可計算級聯(lián)的增益為

由式(2)可知，AGC 動態(tài)范圍可達(dá)65 dB 以上，且實測時無自激現(xiàn)象。

2.3 本振源設(shè)計

本振源［10］在整個收發(fā)信機(jī)中有著重要的作用，本振信號的相位噪聲直接決定了整機(jī)的相位噪聲，本振信號的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度直接決定了整機(jī)的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。

根據(jù)收發(fā)信機(jī)的需要，本振源產(chǎn)生一個帶寬100 MHz，步進(jìn)1 MHz 的L 波段信號，功分兩路提供給發(fā)射通道和接收通道。本振源由10 MHz 溫補(bǔ)晶振、跳頻鎖相源及單片機(jī)組成。10 MHz 溫補(bǔ)晶振為跳頻鎖相源提供參考信號，在－40 ～+60 ℃工作溫度下，其頻率穩(wěn)定度＜±1 ppm。跳頻鎖相源采用ADF4107 鎖相芯片，三線串口置數(shù)。單片機(jī)控制頻率步進(jìn)，同時對接收通道AGC 電壓采樣處理，反饋給終端設(shè)備。本振信號的相位噪聲指標(biāo)為－95 dBc@1 kHz。

3 測試結(jié)果及分析

根據(jù)以上設(shè)計方案，研制出了L 波段收發(fā)信機(jī)。測試結(jié)果如表1 所示，收發(fā)信機(jī)的測試結(jié)果較為理想，符合技術(shù)要求。但考慮到現(xiàn)代無線收發(fā)系統(tǒng)的快速發(fā)展，技術(shù)要求的不斷提高，擬對部分電路進(jìn)行改進(jìn)。其中，為提高接收通道的動態(tài)范圍，在AGC 放大之前可考慮增加抑制度更高的聲表濾波器，以降低帶內(nèi)噪聲功率，提高AGC 檢測的靈敏度;發(fā)射通道的輸出功率＞6 W，發(fā)射占空比為25%，目前功率管采用直接螺釘緊固在盒體上的方式散熱。若要進(jìn)一步提高輸出功率或加大發(fā)射占空比，以提高飛行通信距離，則需進(jìn)一步考慮散熱措施，以保證整機(jī)長時間的穩(wěn)定工作。此外，現(xiàn)代飛機(jī)尤其是小型飛機(jī)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，工作的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，可通過提高預(yù)選濾波器及中頻濾波器的帶外抑制度，來實現(xiàn)更強(qiáng)的抗干擾能力。

表1 收發(fā)信機(jī)實測數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

航空通信突飛猛進(jìn)，機(jī)載設(shè)備要求向小型化、輕量化、低功耗等方向發(fā)展。本文介紹了一種小型機(jī)載L波段收發(fā)信機(jī)的設(shè)計，對組件的工作原理和單元電路組成進(jìn)行了闡述，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，給出了關(guān)鍵元器件的選型分析。測試結(jié)果表明，方案切實可行，滿足使用要求。

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