CN107888273A - 一种中继终端射频通道 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中继终端射频通道，包括频率源单元、发射单元、接收单元；所述频率源单元以晶振信号为参考，产生收发变频所需要的本振信号和参考时钟，所述本振信号包括：经过两次倍频产生第一本振信号和经过点频源环路产生第二本振信号；所述发射单元用于将信号处理机送入的信号与第二本振信号调制后，上变频至第一本振信号波段后输出给发射天线；所述接收单元用于将天线输入信号与第一本振信号混频后，经过下变频至第二本振信号波段后输出给信号处理机。

Description

一种中继终端射频通道

技术领与

本发明涉及一种无线通信技术，特别是一种中继终端射频通道。

背景技术

中继技术，就是在基站与移动台之间增加了一个或多个中继节点，负责对无线信号进行一次或者多次的转发，是无线通信技术的一个重要环节，其信号发射决定了中继技术的优劣。现有的中继终端发射通道存在集成模块体积大、功耗低、工作温度范围窄等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中继终端射频通道，该射频通道包括频率源单元、发射单元、接收单元。

所述频率源单元以晶振信号为参考，产生收发变频所需要的本振信号和参考时钟，所述本振信号包括：经过两次倍频产生第一本振信号和经过点频源环路产生第二本振信号；

所述发射单元用于将信号处理机送入的信号与第二本振信号调制后，上变频至第一本振信号波段后输出给发射天线；

所述接收单元用于将天线输入信号与第一本振信号混频后，经过下变频至第二本振信号波段后输出给信号处理机。

本发明与现有技术相比具有以下有点：本发明采用多芯片嵌入式模块化设计，实现通道集成工作模式，使其具有体积小、重量轻、功耗低、宽温工作和高可靠等优点，可应用于高等级、高可靠系统中。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1是本发明工作原理框图。

图2是本发明频率源单元电路图。

图3是本发明发射单元电路图。

图4是本发明接收单元电路图。

图5是本发明中频AGC增益及放大电路图。

图6是电源分配示意图。

图7是Ka频段中继终端射频通道组成框图。

具体实施方式

结合图1，一种中继终端射频通道，发射单元、接收单元、频率源单元。所述频率源单元以晶振信号为参考，产生收发变频所需要的本振信号和参考时钟，所述本振信号包括：经过两次倍频产生第一本振信号和经过点频源环路产生第二本振信号。所述发射单元用于将基带送入的信号与第二本振信号调制后，上变频至第一本振信号波段后输出给发射天线。所述接收单元用于将天线输入信号与第一本振信号混频后，经过下变频至第二本振信号波段后输出给信号处理机。所述通道还包括电源遥测单元主要完成电源供电、AGC遥测电路和收发本振锁定指示输出的功能。

所述频率源单元包括晶振功分电路、一本振产生电路、收发二本振电路。所述晶振功分电路用于将产生的晶振信号公分四路，其中一路输出作为参考时钟信号，其余三路为本振源提供参考；所述一本振产生电路用于将一路晶振信号经过两次倍频将低波段的信号放大至高波段信号产生发射单元、接收单元的第一本振信号；所述收发二本振电路基于两路晶振信号分别产生发射单元、接收单元的第二本振信号。

在本发明中，该中继终端射频通道以Ka频段为例。对于发射单元，基带信号经过C波段调制，再滤波放大后，与K波段本振上变频产生发射信号，经过滤波和放大输出；对于接收单元，接收到的回波信号经K波段低噪声放大后与一本振下变频至S波段，滤波放大之后与接收二本振下变频产生中频信号；对于频率源单元，则产生收发单元的本振信号和参考信号。

实施例一

对于频率源单元，频率计算和晶振选型是设计阶段的首要出发点。按照原理分析，影响发射信号相位噪声的主要因素为一本振信号的相位噪声，最终的关键点在于晶振的选型。设计分以下几步思路：首先，根据指标要求，通过收发频率关系、相噪指标进行计算与仿真，选取合适的晶体振荡器；其次，以晶振为基准，计算并分配内部本振源的频率及产生方式，最后，对本振源的指标进行分配并进行器件选型。

按照上述思路，方案选取60MHz恒温晶振作为参考，一方面恒温晶振具有良好的相位噪声，另一方面可满足产品较高的频率准确度和稳定度的要求。为获得良好的相位噪声，本方案最初由取样锁相的方式产生5400MHz信号，再经过两次倍频、放大和滤波，提供给收发信道。二本振由点频源模块产生，同样以晶振信号做参考。

频率源单元电路上包含晶振功分电路、一本振产生链路、二本振链路；元器件主要包括：晶振、功分器、取样锁相器(PDRO)、二本振点频源、倍频器、滤波器和放大器等，晶振功分电路将晶振信号功分四路，其中一路输出作为参考时钟信号，其余三路为本振源提供参考；一本振产生链路主要以取样锁相源的C波段信号为基频，经过两次二倍频放大后输出；收发二本振均通过点频源模块产生。

结合图2，频率源单元由下述元器件组成：晶振与第一低通滤波器连接，第一低通滤波器输出端与第一功分器输入端连接，第一功分滤波器两个输出端分别与第二、三功分器输入端连接；第二功分器的第一输出端与第一放大器输入端连接，第一放大器输出端输出参考时钟信号；第二功分器第二输出端与接收单元二本振组件输入端连接，接收单元二本振组件输出端与第三低通滤波器输入端连接，第三第三低通滤波器输出端与一放大器输入端连接后向接收单元输出第二本振信号；第三功分器的第二输出端与发射单元本振组件输入端连接，发射单元本振组件输出端与第四低通滤波器输入端连接，第四低通滤波器输出端与一放大器输入端连接后向发射单元输出第二本振信号；第三功分器的第一输出端与第二放大器输入端连接，第二放大器输出端与取样锁相器输入端连接，取样锁相器输出端与第二低通滤波器输入端连接，第二低通滤波器输出端与第三放大器输入端连接，第三放大器输出端与第一倍频器输入端连接，第一倍频器输出端与第一腔体滤波器输入端连接，第一腔体滤波器输出端与一衰减器输入端连接，衰减器输出端与第四放大器输入端连接，第四放大器输出端与第四功分器输入端连接；第四功分器的第一输出端与第一隔离器输入端连接，第一隔离器输出端与第五放大器输入端连接，第五放大器输出端与第二倍频器输入端连接，第二倍频器输出端与第二腔体滤波器输入端连接，第二腔体滤波器输出端与第七放大器连接后输出第一本振信号给接收单元；第四功分器第二输出端与第二隔离器输入端连接，第二隔离器输出端与第六放大器输入端连接，第六放大器输出端与第三倍频器输入端连接，第三倍频器输出端与第三腔体滤波器连接，第三腔体滤波器输出端与第八放大器连接后输出第一本振信号给发送单元。

具体地，频率源单元的主要元器件的型号和功能如下。

1、晶振功分电路

晶振功分电路的设计，主要考虑参考信号的幅度计算，路上的器件选型，选择的有源放大器等应具有较好的噪声基底，避免晶振信号经过功分放大后产生不必要的相噪恶化。

(1)晶体振荡器

按照收发通道的频率回推，考虑到信号的整数倍关系及相位噪声的计算，选择晶振频率为60MHz。

发射信号的频率准确度和稳定度取决于晶振。根据要求，晶振频率准确度应优于±1×10-7，开机15分钟后的频率稳定度应保持在±1×10-8的范围之内，本方案选用恒温晶振，其特点是具有较好的频率准确度和稳定度，同时晶振频率准确度还可根据电压调节，常温调节范围可达±0.5×10-7，优于指标要求。

(2)功分器

功分电路由三个一分二的功分器组成，选择的功分器在60MHz处插损约为3.5dB，通道隔离度大于30dB。

(3)60MHz放大器

晶振功分电路和时钟输出电路选用的放大器主要从两方面考虑：增益分配和噪声基底，选型放大器优先选用增益小、输出能力满足本振点源对参考信号的要求、低功耗、低噪声基底的器件，避免信号经过放大器后产生相噪恶化。放大器在60MHz处增益为16dB，P-1为8dBm，输入输出驻波均小于1.5。

(4)低通滤波器

参考信号经过低通滤波器，主要为了抑制谐波分量，减小其对后级电路的影响，滤波器采用LC结构，仿真插损1dB，二次谐波抑制约40dB。

由元器件参数推算，功分电路为本振点源提供的三路参考信号功率均为0dBm，满足内配要求；时钟输出信号功率为放大器饱和功率约8dBm，满足要求。

2、一本振产生电路设计

由于信号倍频数N较高时，器件工作的稳定性受到影响，本方案首先以取样锁相的形式产生5400MHz基频信号。为加强路间收发隔离，第二次倍频采用先功分再倍频滤波放大的方式实现。

(1)取样锁相源

取样锁相产生频率的方式具有低相位噪声、低杂散、低功耗、体积小、可靠性高等突出优点，在航天、军用电子设备中具有广泛的应用。

选用的取样锁相源按照倍频相噪恶化公式计算，取样锁相源信号经过两次二倍频后相噪恶化为15dB。

(2)C波段低通滤波器

为保证取样锁相源信号的纯净度，低通滤波器用于抑制5400MHz的谐波信号，以减小对后级电路的影响。设计滤波器选用MINI小型LTCC器件，在二次谐波处的抑制约40dB。

(3)C到X波段的二倍频器

选用无源倍频芯片，当输入信号幅度为12dBm时，倍频损耗为18dB，输出X波段信号幅度约-6dBm，基频信号泄露为-33dBm，计算杂散抑制为27dB。

(4)X波段腔体滤波器、K波段腔体滤波器

信号第一次倍频至X波段和第二次倍频至K波段后，腔体滤波器用于抑制基频及3次等以上谐波信号，在基频和3次谐波处的抑制可达50dB。

(5)功分电路

功分电路主要考虑支路之间的隔离，本方案采用威尔金森形式的电路结构，功分后信号插损为4dB，信号隔离为20dB。

(6)隔离器

功分后的隔离器用于改善匹配和加强收发隔离，隔离器插损0.5dB，驻波小于1.3，反向隔离约20dB。

(7)X波段放大器

X波段信号产生后，放大器用于将信号放大到第二次倍频所需要的功率电平，根据第一次倍频后的信号幅度推算，采用HMC441+CHA2063两级放大器，其中第二级CHA2063放置于功分支路上，其反向隔离为30dB，对于K波段信号，没有放大功能，有利于收发隔离。

(8)X到K波段的二倍频器

与第一次倍频类似，第二次倍频选用相同系列的无源倍频芯片HMC205，反向隔离为30dB，倍频损耗为18dB，输出K波段信号幅度约-6dBm，基频信号泄露为-26dBm，计算杂散抑制为20dB。

(9)K波段放大器

一本振输出端的放大器用于将信号放大到所需要的功率电平输出，作为收发变频的本振信号，放大器要求具有一定的输出能力，并工作在饱和状态。选用CHA2069型放大器芯片，增益约22dB，饱和输出功率为12dBm，可以满足收发变频本振的需要。

实施例二

发射单元原理框图见图3，主要包括调制器、腔体滤波器、混频器、滤波器、放大器和隔离器等器件。考虑到收发共用一本振和发射近端抑制的因素，发射通道的基带调制选择在C波段先调制再上变频至K波段的方案。

具体地，发射单元包括以下元器件。

基带信号和第二本振信号在调制器进行调制后依次经过第四腔体滤波器、第九放大器后与第一本振信号在第一混频器处混频，随后依次经过第六滤波器、第十放大器、第七滤波器、第十一放大器和第三隔离器后从天线发射出去。

具体地，发射单元的各元器件采用的信号和功能如下。

(1)调制器

BPSK调相器一般采用开关线形式实现，即输入信号在开关的控制下交替通过两条支路，而两支路之间的电长度为λ/2，在K波段，λ/2对应的物理长度约为3.5mm(当介质板介电常数为2.22时)，要精确的实现0/π调相难度较大。因此我们利用调制器来实现0/π调相：利用二极管的导通和截止，使微波信号的传输路径相差λ/2，从而达到180°的移相。方案选用HMC136型调制器，在3920MHz处的载波抑制实测值可达30dB以上，满足协议要求。

(2)C波段滤波器

C波段滤波器用于抑制调制信号当中±20MHz以外的杂波信号，选用介质滤波器，参数如下：

插损：6dB；带宽：5MHz

抑制：20dBmin@±20MHz 50dBmin@±300MHz

60dBmin@±1000MHz

群延时：45ns@±2.5MHz

受到抑制带宽的限制，此处滤波器要求具有较好的矩形系数，但因工作带宽较窄，滤波器本身的群延时将达到45ns以内。

(3)上变频+滤波器设计

上变频将C波段调制信号搬移到K波段，上变频选用HMC292型混频器，变频插损约8dB，本振与射频之间的隔离度典型值为35dB。

上变频部分的设计关注输出信号的纯净度。输出信号中主要的杂波信号为一本振泄露、交调分量等，参照混频器技术参数，其余高阶交调分量的抑制度较好，可满足指标要求。对于本振泄露等电平较大的杂散信号，其抑制度主要取决于滤波器的设计。按照杂波抑制大于70dB的要求，需要使用两级滤波器级联才能满足要求。选用的滤波器类型为MEMUS腔体滤波器，特点是体积小、插损小，抑制好。性能指标如下：

通带频率：F0±500MHz

通带插损：≤2dB

带外抑制：≥40dB@F0±****MHz

C波段调制信号以0dBm计算，上变频后信号功率约-8dBm，本振泄露为最大的杂波信号，按照混频器参数，计算泄露功率约为-20dBm，抑制度为12dB，经过两级滤波器后理论计算为92dB，考虑到空间影响等因素，根据工程经验，远端杂波抑制的最终设计结果可达75dB，满足使用要求。

(4)发射放大器

根据增益推算，发射信号的放大链路选用两级放大器实现，第一级选用的放大器为CHA2069(与接收低噪放相同)，工作带宽覆盖收发频段，增益约21dB，第二级放大器应工作在浅饱和态，要求具有一定的输出能力，以满足指标要求。

(5)隔离器

输出端隔离器一方面用于改善输出端口匹配，一方面可加强收发隔离。隔离器插损0.8dB，反向隔离约20dB，端口驻波为1.3。

实施例三

接收通道主要实现的功能是将天线接收信号经过预选滤波器、低噪声放大器后经过两次下变频至70MHz中频信号，通过AGC增益控制反馈网络，实现通道在大动态范围下的稳定输出；主要器件包括预选滤波器、低噪声放大器、一中频滤波放大电路、中频放大AGC控制电路等。

结合图4，接收单元包含以下元器件：天线接收的信号依次经过第四隔离器、低噪声放大器后，与第一本振信号在镜像抑制混频器出实现第一次下变频，同时惊醒镜像抑制；随后依次经过第八滤波器、AGC增益控制器、第十二放大器后，在第二混频器处与第二本振信号混频进行第二次下变频；岁年后经过第九滤波器和AGC增益及放大电路后依次经过定向耦合器、限幅器输出一中频信号。所述AGC增益及放大电路包括四级放大器、设置于第一、二级放大器之间的第一电调衰减器、设置于第二、三放大器之间的第二电调衰减器。该信号传输过程中，AGC增益控制器和AGC增益及放大电路的控制电压来自于第十滤波器的输出信号，所述第十滤波器输出信号经过定向耦合器分离，第一路输出至限幅器，第二路依次经过检波器和运算放大器传输至两个电调衰减器和AGC增益控制器。

具体地，发射单元的各元器件采用的信号和功能如下。

(1)预选滤波器

考虑到系统工作环境容易收到其他系统的干扰信号，为了增加接收通道的抗干扰能力，设计中在接收单元低噪放之前加入预选滤波器，抑制干扰信号，保证接收通道的畅通。预选滤波器设计带宽为500MHz，插损2dB。

(2)低噪声放大器

低噪放是接收通道的第一级有源电路，其噪声系数将直接叠加于系统的噪声系数上，它本身应有低的噪声系数，并提供足够的增益以减小后级电路的噪声影响，但同时会导致大信号下系统出现非线性失真，因此低噪放增益的设计必须兼顾噪声系数和线性度。根据系统要求，采用两级低功耗的单片放大器，放大器之间外加5dB衰减芯片用于调节高频部分的增益，放大器主要技术指标如下：

增益：21dB

噪声系数：≤2.5dB

反向隔离度：≥25dB

输入驻波：≤1.5

电源：5V/45mA

最大输入功率：15dBm

(3)镜像抑制混频器

为增加接收通道的抗干扰能力，提高接收灵敏度，需要降低镜像频率的影响，选用镜像抑制混频器，第一次下变频后一中频频率为1.6GHz。配合90°电桥，可实现接收通道的变频和镜像抑制度大于20dB。除考虑镜像抑制外，混频器的线性度也是需要关注的指标，饱和输入功率为14dBm，根据增益链路计算，可满足接收通道的线性度要求。

(4)一中频滤波器

抑制二次镜像频率可以使用两种方法：一是第二次混频也选用镜像抑制混频器的方案；二是在一中频电路上设计滤波器的方法。考虑到电路结构的简单，方案选用在一中频电路上设计介质滤波器的方法，介质滤波器的特点是体积小、抑制度较高。在一中频处的插损为3dB，镜像频率的抑制可达40dB，从而降低了二次镜像对接收系统灵敏度的影响。

(5)中频AGC增益控制

当目标距离较近时回波信号很大,除可能使接收机中器件损坏外,还可能引起信号失真和堵塞，降低接收灵敏度。AGC回路控制通过增益自动控制输出稳定的中频信号。AGC控制器件的原理是通过二极管的导通与截止来控制链路增益的大小，控制电压来自于反馈网络。本方案根据指标分配和增益链分布将AGC增益控制器件分布在一中频电路和中频电路，一中频电路中的AGC由两级二极管级联组成，控制范围约20dB，中频电路由两个AGC控制电路组成，每个控制电路包含三级二极管级联，可实现30dB的控制范围；总控制范围可以满足60dB。

(6)二次下变频器

二次下变频器将一中频信号通过混频，产生70MHz中频信号。

(7)中频滤波器

中频滤波器采用LC形式，1dB带宽要求7.5MHz±0.4MHz，15MHz带外抑制大于30dB，符合接收通道指标要求。

(8)中频AGC增益及放大电路

中频AGC增益控制及放大电路是接收中频主要组成部分，见图5所示，设计开环增益大于85dB。AGC的响应时间约200us以内，满足小于10ms的技术要求。

表1接收通道增益计算链表

实施例四

电源遥测单元的具体功能是完成各个单元模块之间的电源隔离和遥测电路，为内部有源器件供电；设计的核心是电源上的隔离。

系统提供电源(+12V、+5V)进入各功能单元均经过滤波处理，防止信号通过电源电路串扰。电源电压分配思路为：+12V为晶振和一本振取样锁相源模块供电。+5V为其余部分供电。具体分配见图6。

产品+12V电源电流为350mA，+5V电源电流为1265mA，满足整机的电流要求，射频功耗约为10.525W。

Claims (7)

1.一种中继终端射频通道，包括频率源单元、发射单元、接收单元，其特征在于，

所述频率源单元以晶振信号为参考，产生收发变频所需要的本振信号和参考时钟，所述本振信号包括：经过两次倍频产生第一本振信号和经过点频源环路产生第二本振信号；

所述发射单元用于将信号处理机送入的信号与第二本振信号调制后，上变频至第一本振信号波段后输出给发射天线；

所述接收单元用于将天线输入信号与第一本振信号混频后，经过下变频至第二本振信号波段后输出给信号处理机。

2.根据权利要求1所述的通道，其特征在于，所述频率源单元包括晶振功分电路、一本振产生电路、收发二本振电路；

所述晶振功分电路用于将产生的晶振信号公分四路，其中一路输出作为参考时钟信号，其余三路为本振源提供参考；

所述一本振产生电路用于将一路晶振信号经过两次倍频将低波段的信号放大至高波段信号产生发射单元、接收单元的第一本振信号；

所述收发二本振电路基于两路晶振信号分别产生发射单元、接收单元的第二本振信号。

3.根据权利要求1或2所述的通道，其特征在于，所述一本振产生电路包括：

取样锁相频率合成器，用于接收经功分后的一路晶振信号并产生一基频信号；

第二滤波器，用于消除基频信号中的谐波信号；

第三放大器，用于放大消除谐波信号的基频信号至第一次倍频需要的功率电平；

第一倍频器，用于将放大后的基频信号倍频至第一高波段信号；

第一腔体滤波器，用于抑制第一高波段信号中的基频信号和谐波信号；

第四放大器，用于放大滤波后的第一高波段信号；

第四功分器，用于将第一高波段信号功分为两信号，其中第一路信号经接收单元第二次倍频电路第二次倍频后输出给接收单元，第二路信号经发射单元第二次倍频电路第二次倍频后输出给发射单元；

所述接收单元第二次倍频电路包括：

第一隔离器，接收第四功分器的第一路第一高波段信号，用于提高信号间的隔离；

第五放大器，用于将隔离后的第一高波段信号放大至第二次倍频所需要的功率电平；

第二倍频器，用于将放大后的第一高波段信号倍频至第二高波段信号；

第二腔体滤波器，用于消除第二高波段信号中的第一高波段信号和谐波信号；

第七放大器，用于将第二高滤波信号作为第一本振信号放大后发送至接收单元；

所述发射单元第二次倍频电路包括：

第二隔离器，接收第四功分器的第二路第一高波段信号信号，用于提高信号间的隔离；

第六放大器，用于将隔离后的第一高波段信号放大至第二次倍频所需要的功率电平；

第三倍频器，用于将放大后的第一高波段信号倍频至第二高波段信号；

第三腔体滤波器，用于消除第二高波段信号中的第一高波段信号和谐波信号；

第八放大器，用于将第二高滤波信号作为第一本振信号放大后发送至接收单元。

4.根据权利要求1所述的通道，其特征在于，所述发射单元包括：

调制器，用于将基带信号相位随第二本振信号而变化；

第四腔体滤波器，用于抑制调制信号中的杂波信号；

第九放大器，用于放大滤除杂波后的调制信号至上变频需要的功率电平；

第一混频器，用于将调制信号搬移至第二高波段；

第六滤波器，用于抑制上变频后的信号中的杂波信号；

第十放大器，用于放大上变频后的信号至覆盖收发频段；

第七滤波器，用于抑制放大后的上变频信号中的杂波信号；

第十一放大器，用于放大第二次滤波后的上变频信号；

第三隔离器，用于提高信号间的隔离。

5.根据权利要求1所述的通道，其特征在于，所述接收单元包括：

预选滤波器，用于抑制干扰信号；

低噪声放大器，在低噪声的环境下放大天线接收的信号；

镜像抑制混频器，用于放大后的天线信号第一次下变频并镜像抑制，下变频至第一本振信号频率；

第八滤波器，用于抑制二次镜像频率；

第十二放大器，用于将抑制过二次镜像频率的第一次下变频信号放大至第二次下变频需要的功率电平；

第二混频器，用于将第一次下变频信号下变频至第二本振信号频率；

第九滤波器，用于第二次下变频信号的滤波；

AGC增益及放大电路，用于放大第二次下变频信号；

第十滤波器，用于放大经AGC增益放大后的信号并输出给信号处理机；

限幅器，用于将输出信号限制于一幅值内。

6.根据权利要求5所述的通道，其特征在于，所述AGC增益及放大电路包括四级放大器、设置于第一、二级放大器之间的第一电调衰减器、设置于第二、三放大器之间的第二电调衰减器；所述AGC增益及放大电路控制电压来自于第十滤波器的输出信号，所述第十滤波器输出信号经过定向耦合器分离，第一路输出至限幅器，第二路依次经过检波器和运算放大器传输至两个电调衰减器。

7.根据权利要求5所述的通道，其特征在于，所述接收单元还包括一AGC增益控制器，用于控制链路增益程度；其控制电压来自于第十滤波器的输出信号，所述第十滤波器输出信号经过定向耦合器分离，第一路输出至限幅器，第二路依次经过检波器和运算放大器传输至AGC增益控制器。