CN107896116A - 一种数据链射频系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数据链射频系统，包括本振频率源、发射通道和接收通道；所述本振频率源用于产生两路相参的一本振信号和二本振信号；所述发射通道用于将信号处理机送入的信号先后与二本振信号混频后，上变频至第一本振信号波段后输出给天线；所述接收通道用于将天线输入的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

一种数据链射频系统

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术，特别是一种一种数据链射频系统。

背景技术

数据链是指互通数据的链路，而在军事上所说的数据链就是一张数据网，就像互联网一样，只要你有一个数据终端就可以从这个数据链里获得自己所需要的信息，就如同你用电脑上网一样，同样你也可以使用终端往这个数据链路网里添加东西。数据链射频系统就是将数据发射的装置，是该数据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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数据链射频系统，包括本振频率源、发射通道和接收通道。

所述本振频率源用于产生两路相参的一本振信号和二本振信号；

所述发射通道用于将信号处理机送入的信号先后与二本振信号混频后，上变频至第一本振信号波段后输出给天线；

所述接收通道用于将天线输入的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优点：本发明根具有低杂散频率源、低功耗设计、功率状态管理、发射通道杂波抑制、空载保护功能、高收发隔离等技术优点。

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是数据链射频组合总原理框图。

图2是本振频率源工作原理框图。

图3是功分电路原理图。

图4是一本振单元原理框图。

图5是二本振单元原理框图。

图6是接收通道原理框图。

图7是发射通道原理框图。

图8是功放部分原理框图。

图9是电源分配示意图。

具体实施方式

结合图1，一种数据链射频系统，包括本振频率源、发射通道和接收通道。所述本振频率源用于产生两路相参的一本振信号和二本振信号；所述发射通道用于将信号处理机送入的信号先后与二本振信号混频后，上变频至第一本振信号波段后输出给天线；所述接收通道用于将天线输入的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。该系统还包括电源单元，用于完成各个单元模块之间的电源隔离和完成电压变换以及器件的保护。所述发射通道和接收通道共用一天线，设置一环形隔离器，发射通道和接收通道分别通过环形隔离器域天线连接。

结合图2，所述本振频率源包括晶体振荡器、晶振信号分配电路、一本振单元、二本振单元。晶体振荡器用于产生晶振信号；晶振信号分配电路用于将晶振信号功分为两路信号；一本振单元采用跳频源工作模式产生一供发射通道和接收通道混频的第一本振信号；二本振单元采用点频源工作模式产生一供发射通道和接收通道混频的第一本振信号。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步描述。

1、本振频率源

结合图3，所述本振频率源中晶振信号分配电路包括一功分器、一衰减器、一放大器。所述功分器将晶振信号功分为两路，其中第一路晶振信号经过衰减器和放大器输出给一本振单元，第二路晶振信号直接输出给二本振单元。

结合图4，所述本振频率源中的一本振单元采用下变频锁相电路，包括第一鉴相器、第一环路滤波器、第一压控振荡器、第一定向耦合器、第二功分器、第四功分器、第一滤波器、第二滤波器、第一放大器、第二放大器、第三放大器、第六放大器、第一混频器、第三环路滤波器、锁相源、倍频器、第五滤波器。所述第一路晶振信号经过第四功分器后分为两路，其中第一路晶振信号经过锁相源作为第一混频器的一路输入信号；第二路晶振信号依次经过第六放大器、倍频器、第五滤波器、第一鉴相器、第一环路滤波器、第一压控振荡器后，经过第一定向耦合器分配为两路信号；所述第一定向耦合器分配的第一路信号经过第一放大器后作为第一混频器的第二路输入信号，混频后经过第三环路滤波器反馈于第一鉴相器；第二路信号经第二功分器功分为两路信号；所述第二功分器公分的两路信号，分别经过第一滤波器、第二放大器和第二滤波器、第三放大器滤波、放大后作为第一本振信号传输至发射通道和接收通道。

结合图5，所述本振频率源中的二本振单元采用模拟锁相环路，包括第二鉴相器、第二环路滤波器、第二压控振荡器、第二定向耦合器、第三功分器、第三滤波器、第四滤波器、第四放大器、第五放大器。第二路晶振信号依次经过第二鉴相器、第二环路滤波器、第二压控振荡器后，经过第二定向耦合器分配为两路信号，其中第一路反馈于鉴相器与晶振信号进行相位比较，第二路经过第三功分器功分后获得两路信号，该两路信号分别经第三滤波器、第四放大器和第四滤波器、第五放大器滤波、放大后作为第二本振信号传输至发射通道和接收通道。

具体地，主要元器件的型号和功能如下：

(1)晶振信号分配电路

功分器在80MHz处插损约为3.5dB，通道隔离度大于30dB。

放大器在80MHz处增益为15dB，输入输出驻波均小于1.5。

功分电路最终输出80MHz信号指标如下表：

(3)二本振单元设计

二本振信号为固定点频源，功分滤波放大后提供给发射通道和接收通道。二本振信号采用模拟锁相实现，鉴相器工作在小数分频模式

二本振单元采用模拟锁相环路，锁相环路中鉴相器选用HITTITE公司生产的HMC704,VCO为进口器件，其压控灵敏度为37MHz/V，锁相环路带宽为500KHz，鉴相频率80MHz，中心频点对应压控电压为2V，采用无源环路，利用HITTITE公司设计软件进行仿真优化。基于小数分频的锁相源的相位噪声仿真结果优于-115dBc/Hz@10kHz及以外，环路锁定时间为5us。

该锁相环电路在鉴相频率为80MHz时，其输出射频信号中，由于鉴相泄漏而引起的杂散指标优于75dBc，可以满足设计指标要求。

从二本振信号电路原理图可知，最终输出到发射通道和接收通道的二本振信号功率为13dBm。

根据锁相环路工作原理可知，二本振信号频率稳定度和准确度指标，取决于参考信号的频率稳定度和准确度，即晶振的频率稳定度和准确度。

(3)一本振单元设计

一本振信号为跳频信号，其相位噪声指标需满足-110dBc/Hz@10KHz，杂散需满足优于75dB的指标要求。

一本振单元中鉴相器选用HITTITE公司生产的HMC704,VCO为进口器件，其压控灵敏度为300MHz/V，锁相环路带宽为500KHz，鉴相频率6MHz，中心频点对应压控电压为3V，采用有源环路，利用HITTITE公司设计软件进行仿真优化。

该锁相环电路在鉴相频率为6MHz时，其输出射频信号中，由于鉴相泄漏而引起的杂散指标优于75dBc。

2、接收通道

结合图6，所述接收通道包括预选滤波器、限幅器、两个射频开关、低噪声放大器、三个数控衰减器、五个放大器、两个混频器、两个温补衰减器、三个滤波器、中频开关、LC带通滤波器组成。天线接收的信号经过环形隔离器、预选滤波器、限幅器后，经过第一射频开关进行信号隔离，随后经过低噪声放大器后，经第二射频开关进行信号隔离，随后依次经过第一数控衰减器、第七放大器放大后于第一混频器处与第一本振信号混频，混频后的信号依次经过第一温补衰减器、第二数控衰减器、第一滤波器、第八放大器、第二滤波器后，于第二混频器处与第二本振信号混频，随后依次经过第三滤波器、第九放大器、第二温补衰减器、第三数控衰减器后，经中频开关进行信号隔离，随后依次经第十、第十一放大器和LC带通滤波器后输出。

接收通道的主要指标如下表

接收通道主要元器件信号和功能如下：

(1)噪声系数

系统级联噪声系数计算公式为：

根据此公式进行计算，组件的常温条件下的接收机噪声系数为4dB，高温条件下噪声系数恶化0.5dB，满足全温不大于5dB的指标要求。

(2)增益

接收通道最大增益常温为84.8dB，全温幅度波动主要取决于低噪放、射频放大器、混频器中频放大器。

整个接收通道增益全温变化为6.5dB，而技术指标要求三温通道变化≤4dB。方案中采用两级3dB温补衰减片在中频进行补偿而使整个通道的增益全温变化为±1.5dB，考虑元器件及制造离散性，计算出全温范围的通道幅度不一致性变化≤2dB，能满足指标要求。

(3)输出P-1

输出P-1取决于末级中频放大器，本方案选择末级中放P-1大于10dBm，经过π型衰减和LC滤波器之后，P-1大于5dBm，满足指标要求。

(4)中频输出3dB信号带宽

中放后的中频滤波器用于保证中频输出信号的纯净度，同时要求中频通带满足信号带宽要求。本方案采用LC带通滤波器实现，插损小于3.5dB，3dB带宽约6MHz。

(5)最大承受功率

由于收发通道通过环形隔离器集合，发射信号能通过环形隔离器或空间泄漏到接收通道。为了避免因发射功率泄漏对接收机造成损伤，在低噪放前增加了限幅器和开关保护电路。环形隔离器负载端承受功率为连续波20W，限幅器最大承受功率为46dBm，限幅电平为15dBm，开关承受功率为30dBm，第一级低噪放最大承受为18dBm，空载情况下，可保证接收通道不损坏。

(6)镜像抑制

为了增加接收机的抗干扰能力，第一级混频前加入预选滤波器(形式为腔体滤波器)，滤波器对镜频的抑制度大于40dB，第一级混频器采用镜像抑制混频器，可确保一次镜频抑制大于60dB。

一中频滤波器除完成滤除一中频信号中的谐波分量功能外，还需重点考虑二次镜像抑制，本方案选择小型贴片式介质滤波器。根据频率计算，设计单级滤波器实现二次镜像抑制大于40dB，两级滤波器级联可以实现二次镜像抑制大于65dB。

(7)谐杂波抑制

接收系统的主要杂波为两次混频产生的交调信号。在两次混频后接有滤波器，对混频器和放大器带来的谐杂波信号的抑制度大于60dBc，满足指标要求。

(8)收发隔离与开关速度

为提高收发通道的隔离，在第一级低噪放前后各加一级射频开关。开关选用GaAs高速PIN开关，一级单片可实现隔离度大于30dB，根据工程经验，两级开关之间采用腔体隔离的方式可实现X波段信号隔离度约55dB。开关时间小于20ns，满足指标要求。

同时，在中频加中频开关。中频开关选用Hittite产品HMC221两级级联，工作频率61.44MHz，隔离度大于60dB，开关插入损耗约1.5dB，由TTL信号控制。开关时间小于20ns，满足指标要求。

(10)数控衰减器

数控衰减器在射频、第一中频及第二中频各设置一个。

射频端采用HMC424型数控衰减器，衰减精度±0.5dB，总衰减量31.5dB，满足射频增益控制范围大于30dB的指标要求。

中频采用HMC470型数控衰减器，衰减精度±0.3dB，总衰减量为31dB，考虑到组件的线性度，选用两级数控衰减器，分配到每一级的衰减量为20dB。两个级联可以实现中频大于40dB的衰减量。

数控衰减器通过CPLD进行控制，可以灵活进行不同衰减量的配置。

(11)输入端口驻波

信号通过环形隔离器进入接收通道，环形隔离器的端口驻波≤1.22，可以保证端口输入驻波不大于1.4。

3、发射通道

结合图7，所述发射通道包括两个混频器、四个滤波器、两个放大器、两个衰减器、单刀双掷开关、功放电路、两个开关、一耦合器组成。所述信号处理机的信号于第三混频器处与二本振信号混频，随后依次经过第四滤波器、第十二放大器、第五滤波器、第二衰减器后，于第四混频器出与第一本振信号混频，随后依次经过第六滤波器、第十三放大器、第七滤波器后，至单刀双掷开关，在单刀双掷开关处进行选择：若输出信号，则通过功放电路后经过环形隔离器输出至天线；若经行功率检波，则依次经过第三衰减器、第二开关和第三开关输出检波信号；所述功放电路与检波电路通过耦合器耦合。具体地，当小信号时，第一开关达到第2触点，第三开关打到第1触点，第二开关达到第2触点；当为检波信号时，第一开关达到第1触点，第三开关打到第2触点，第二开关达到第1触点。

结合图8，所述功放电路包括三级放大器和一隔离器串联，所述隔离器置于第二级和第三级放大器之间。

发射通道的主要元器件的信号和功能如下：

(1)发射功率(全功率状态)

发射功率是实现发射机功能的主要指标。中频信号经过两次上变频后产生大于43dBm(20W)的端口输出功率。考虑到环形隔离器的插入损耗0.5dB，末级功放的输出功率应不小于44dBm。为了保证功放输出波形，脉冲功放的增益留有一定的压缩，本方案增益压缩值为5dB。末级功放采用GaAs内匹配功率管，其饱和输出功率为44.5dBm，经过环形隔离器-0.5dB，最终输出功率常温为44dBm，高温70℃工作时功放输出功率会减小约0.5dB，即高温输出功率为43.5dBm。

(2)发射链路防自激措施

由于发射链路二次变频后增益较高，容易自激。设计上采取下面三种措施：保证各级之间良好的驻波匹配；将后面功放部分与前级变频链路分腔处理；在末级功放前加入隔离器，保证级间匹配。

(3)功率状态信号延时

设计中采用一种高速大电流的MOSFET作为功放电源调制器，该器件的最大峰值电流为80A，最大平均电流为14A，可以满足末级功放的电流需求；在输出电流10A的情况下上升沿为3.9ns，导通的延时也在10ns以内，配合控制脉冲的高速反相电路，常温条件下可以将功放导通的上升沿和延时的总和控制在100ns以内，全温在200ns以内。

(4)小功率信号输出电路

技术协议要求，小功率状态下输出功率为(-35～-30)dBm，带内平坦度不大于3dB。为了保证小信号状态下输出功率的精度和带内平坦度，在二次混频后的第一级放大器后加单刀双掷开关。在输出端口，功率检波报警和功放小信号通过耦合器和选通开关进行切换，实现功率检波和功放小信号输出的功能。

(5)杂波抑制

发射通道的杂波主要来自两次变频产生的交调信号，主要考虑低于六阶的交调信号。

通过计算，中频输入信号和二本振混频后的信号七阶以内的交调信号都没有落在介质滤波器通带内，第一次混频后的介质滤波器主要作用是本振抑制，选用介质滤波器的通带带宽为8MHz，对本振信号抑制大于40dB，两级滤波器级联可以实现对本振信号抑制度大于80dB，考虑到发射通道的增益压缩，可以实现对本振信号及谐波的抑制度大于70dB。

二本振信号与1.2GHz混频后的交调信号在8.76～9.24GHz输出范围内只有7阶分量无法滤除，在1.2G带内输出范围存在3阶分量、7阶分量，其中混频器在小信号上变频输出时，本身3阶分量可抑制40dBc以上，7阶分量可达80dBc，滤波器对3阶分量的抑制度为40dB，可满足1.2G工作带宽内大于70dBc。1.2G工作带宽外滤波器抑制大于60dB，满足杂波1.2G工作带宽外抑制度要求。

根据技术协议要求，数据链射频组合收发通道通过射频开关分时半双工工作。

发射模式(SEND_GATA＝1)：一本振和二本振通过单刀双掷开关切换到发射上变频；接收前端射频开关关闭，保护接收机；当PA_ON_OFF＝1时，功放电源调制受SEND_PULSE信号调制，同时受PA_KEY控制大小工作模式；

接收模式(SEND_GATA＝0)：一本振和二本振通过单刀双掷开关切换到接收下变频；接收前端射频开关打开，接收机工作；功放静默；

要实现上述功能，同时还要跟整机实现SPI数据传输、频率编码控制、跳频源控制、温度监测、频综状态指示、功率状态指示等功能，需要选择合适的控制器，本方案选用CPLD作为主控制器，具体型号为Altera公司的MAXⅡ系列的EPM1270T144I5N，其具有116个I/O口和1270个LE，能充分保证组合逻辑控制的I/O口及逻辑资源的需要。跟整机的控制接口采用，整机提供的TTL信号经过电平转换器SN74LVC4245APW之后转换成LVTTL信号进入CPLD，CPLD根据程序对控制信号进行处理，产生内部控制信号对产品整个工作模式和频点进行控制，同时还需要对频综的工作状态进行处理之后通过锁定指示信号进行频综状态指示等。

4、电源单元

结合图9，系统提供电源(+15V、-15V、+10V、+8V、+6V)进入各功能模块均经过滤波处理，各功能模块分别进行内部稳压，器件供电电路上进行去耦处理，防止信号通过电源电路泄漏。

为保证产品安全，在+15V、-15V、+10V、+8V、+6V的输入端增加了二极管，防止电压反向造成产品损坏；另外在功率放大器的电源电路上增加负电保护电路，确保在放大器栅极未加负电压的情况下不会有正电压加至放大器的漏极，保证器件的安全。

Claims (9)

1.一种数据链射频系统，其特征在于，包括本振频率源、发射通道和接收通道；

所述本振频率源用于产生两路相参的一本振信号和二本振信号；

所述发射通道用于将信号处理机送入的信号先后与二本振信号混频后，上变频至第一本振信号波段后输出给天线；

所述接收通道用于将天线输入的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所述的系统，所述发射通道和接收通道共用一天线，设置一环形隔离器，发射通道和接收通道分别通过环形隔离器与天线连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述本振频率源包括：

晶体振荡器，用于产生晶振信号；

晶振信号分配电路，用于将晶振信号功分为两路信号；

一本振单元，采用跳频源工作模式产生一供发射通道和接收通道混频的第一本振信号；

二本振单元，采用点频源工作模式产生一供发射通道和接收通道混频的第一本振信号。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述本振频率源中的一本振单元采用下变频锁相电路，包括第一鉴相器、第一环路滤波器、第一压控振荡器、第一定向耦合器、第二功分器、第四功分器、第一滤波器、第二滤波器、第一放大器、第二放大器、第三放大器、第六放大器、第一混频器、第三环路滤波器、锁相源、倍频器、第五滤波器；

所述第一路晶振信号经过第四功分器后分为两路，其中第一路晶振信号经过锁相源作为第一混频器的一路输入信号；第二路晶振信号依次经过第六放大器、倍频器、第五滤波器、第一鉴相器、第一环路滤波器、第一压控振荡器后，经过第一定向耦合器分配为两路信号；

所述第一定向耦合器分配的第一路信号经过第一放大器后作为第一混频器的第二路输入信号，混频后经过第三环路滤波器反馈于第一鉴相器；第二路信号经第二功分器功分为两路信号；

所述第二功分器公分的两路信号，分别经过第一滤波器、第二放大器和第二滤波器、第三放大器滤波、放大后作为第一本振信号传输至发射通道和接收通道。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述本振频率源中的二本振单元采用模拟锁相环路，包括第二鉴相器、第二环路滤波器、第二压控振荡器、第二定向耦合器、第三功分器、第三滤波器、第四滤波器、第四放大器、第五放大器；

第二路晶振信号依次经过第二鉴相器、第二环路滤波器、第二压控振荡器后，经过第二定向耦合器分配为两路信号，其中第一路反馈于鉴相器与晶振信号进行相位比较，第二路经过第三功分器功分后获得两路信号，该两路信号分别经第三滤波器、第四放大器和第四滤波器、第五放大器滤波、放大后作为第二本振信号传输至发射通道和接收通道。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述接收通道包括预选滤波器、限幅器、两个射频开关、低噪声放大器、三个数控衰减器、五个放大器、两个混频器、两个温补衰减器、三个滤波器、中频开关、LC带通滤波器组成；

天线接收的信号经过环形隔离器、预选滤波器、限幅器后，经过第一射频开关进行信号隔离，随后经过低噪声放大器后，经第二射频开关进行信号隔离，随后依次经过第一数控衰减器、第七放大器放大后于第一混频器处与第一本振信号混频，混频后的信号依次经过第一温补衰减器、第二数控衰减器、第一滤波器、第八放大器、第二滤波器后，于第二混频器处与第二本振信号混频，随后依次经过第三滤波器、第九放大器、第二温补衰减器、第三数控衰减器后，经中频开关进行信号隔离，随后依次经第十、第十一放大器和LC带通滤波器后输出。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述发射通道包括两个混频器、四个滤波器、两个放大器、两个衰减器、单刀双掷开关、功放电路、两个开关、一耦合器组成；

所述信号处理机的信号于第三混频器处与二本振信号混频，随后依次经过第四滤波器、第十二放大器、第五滤波器、第二衰减器后，于第四混频器出与第一本振信号混频，随后依次经过第六滤波器、第十三放大器、第七滤波器后，至单刀双掷开关；

在单刀双掷开关处进行选择：若输出信号，则通过功放电路后经过环形隔离器输出至天线；若经行功率检波，则依次经过第三衰减器、第一开关和第二开关输出检波信号；

所述功放电路与检波电路通过耦合器耦合。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述功放电路包括三级放大器和一隔离器串联，所述隔离器置于第二级和第三级放大器之间。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述功放电路与发射通道其他链路分腔设置。