CN109347507A - 宽带可配置c波段射频前端 - Google Patents

宽带可配置c波段射频前端 Download PDF

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CN109347507A
CN109347507A CN201811269447.3A CN201811269447A CN109347507A CN 109347507 A CN109347507 A CN 109347507A CN 201811269447 A CN201811269447 A CN 201811269447A CN 109347507 A CN109347507 A CN 109347507A
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吴海珍
丁勇飞
李裕
邵鹏
邵一鹏
张海辉
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Abstract

本发明公开了一种宽带可配置C波段射频前端，包含控制单元、接收通道和本振单元，本振单元向接收通道输出固定本振f4和可变本振f3；接收通道将先C波段射频输入信号与可变本振进行第一次混频，混频后输出高中频信号；高中频信号与固定本振进行第二次混频，输出140MHz中频信号；140MHz中频信号经过AGC稳幅通道(116)或对数放大通道(117)后对输出；所述控制单元提供频点控制、衰减控制、电调滤波器控制、AGC稳幅通道(116)和对数放大通道(117)选择、不同信号带宽选择。本发明可满足对地面各类C波段数据链系统测试设备的需求。

Description

宽带可配置C波段射频前端
技术领域
本发明属于无线通信领域，尤其涉及高频电路技术。
背景技术
为了测试航空无线通信数据链系统的各项功能和性能，特需研制地面高性能无线通信数据链系统测试设备，特别是宽带可配置C波段射频前端。
本地面高性能测试设备研制的宽带可配置C波段射频前端，具备C波段宽带射频信号收发功能，包含1路接收通道和1路发射通道。
该射频前端要求的接收通道工作带宽为4GHz，要求在-90dBm～-20dBm输入范围实现线性稳幅和对数稳幅，接收信号带宽有5种，分别5MHz、15MHz、20MHz、40MHz和60MHz，噪声系数≤5dB，带内杂散≥60dBc，带外杂散≥60dBc，三阶互调≥40dBc，变频不倒谱。
该射频前端要求的发射通道工作带宽为4GHz，输出信号幅值有两种,分别为0dBm输出和-50dBm～-100dBm可调输出，射频带宽为60MHz,带内杂散≥60dBc，带外杂散≥60dBc，三阶互调≥40dBc，变频不倒谱。
基于上述原因，要求研制一种满足上述要求的宽带可配置C波段射频前端。
发明内容
本发明的发明目的是供一种宽带可配置C波段射频前端，满足对地面各类C波段数据链系统测试设备的需求。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种宽带可配置C波段射频前端，包含控制单元、接收通道和本振单元；
本振单元向接收通道输出固定本振f4和可变本振f3；
所述接收通道包含第六放大器101，一对三选一开关102、包含三个不同频段的带通滤波器的滤波器组103、第四数控衰减器104、第三混频器105、第七放大器106、第四带滤波器107、第八放大器108、第五带通滤波器109，第四混频器110、60MHz的第六带通滤波器111、第九放大器112、一对五选一开关113、包含五档不同的中频带通滤波器的中频带通滤波器组114，一对一分二开关115、AGC稳幅通道116、对数放大通道117，第二固定衰减器118、第七带通滤波器119；
C波段射频输入信号f8先经过第六放大器101进行低噪声放大，然后经过由一对三选一开关102根据控制单元的控制从滤波器组103中选中的一个带通滤波器进行滤波，再经过第四数控衰减器104进行数控衰减，最后经过第三混频器105与可变本振f3进行第一次混频，混频后输出高中频信号f6；
高中频信号f6先依次经过第七放大器106、第四带滤波器107、第八放大器108、第五带通滤波器109进行放大、滤波、再放大、滤波，最后经过第四混频器110与固定本振f4进行第二次混频，输出140MHz中频信号；
140MHz中频信号先经过第六带通滤波器111滤除相关杂散信号，然后经过第九放大器112进行放大，再后经过由一对五选一开关113根据控制单元的控制从中频带宽滤波器组103中选中的一个中频带通滤波器进行滤波，接着经过由一分二开关115根据控制单元的控制选择的AGC稳幅通道116进行AGC放大或对数放大通道117进行快速稳幅，最后经过第二固定衰减器118和第七带通滤波器119进行固定衰减、滤波输出线性中频信号或对数中频信号；
所述控制单元根据接收的C波段射频输入信号的频段控制一对三选一开关102在滤波器组103内进行切换、控制一对五选一开关113在中频带通滤波器组114内进行切换，控制一对一分二开关115在AGC稳幅通道116和对数放大通道117之间进行切换。
进一步，还包含发射通道；
所述本振单元向发射通道输出固定本振f1和可变本振f2；
所述发射通道包含第一固定衰减器201、带宽为60MHz的第一带通滤波器202、第一混频器203、第一放大器204、第二带通滤波器205、第一数控衰减器206、第二放大器207、第三带通滤波器208、第二数控衰减器209、第二混频器210、第一调谐滤波器211、第三放大器212、第四放大器213、第三数控衰减器214、第五放大器215、第二调谐滤波器216；
输入的140MHz中频信号，首先经过第一固定衰减器201、第一带通滤波器202进行固定衰减、滤波，然后经过第一混频器203与固定本振f1进行第一次混频，输出高中频信号f5；
高中频信号f5首先依次经过第一放大器204、第二带通滤波器205、第一数控衰减器206、第二放大器207、第三带通滤波器208、第二数控衰减器209进行放大、滤波、数控衰减、再放大、滤波、数控衰减，然后经过第二混频器210与可变本振f2进行第二次混频，输出C波段射频信号f7；
C波段射频信号f7依次经过第一调谐滤波器211、第三放大器212、第四放大器213、第三数控衰减器214、第五放大器215、第二调谐滤波器216进行滤波、放大、再放大、数控衰减、再放大、再滤波，输出C波段射频信号f7。
优选地，第一数控衰减器206衰减31.5dB，第二数控衰减器209衰减45dB，第三数控衰减器214衰减31.5dB。
优选地，可变本振f2和可变本振f3的可变本振频率变化范围为4GHz，频率步进为5MHz，相位噪声要求为：
1KHz：优于-80dBc/Hz；
10KHz：优于-90dBc/Hz；
100KHz：优于-95dBc/Hz。
优选地，可变本振f2和可变本振f3采用锁相环、外置宽带压控振荡器、环路滤波器、倍频器及电调滤波器组成。
优选地，固定本振f1和固定本振f4采用集成VCO的锁相环实现。
本发明的有益效果在于：
1.实现了1路C波段输出信号电平在0dBm和-50dBm～-100dBm可调输出的发射通道，可满足某些C波段射频前端灵敏度的测试需求；
2.实现了1路C波段接收通道，该接收通道在-90dBm～-20dBm输入信号范围内实现了AGC稳幅接收或对数稳幅接收，可满足内外场远距离C波段波大小信号和快速突变大小信号的接收测试需求；
3.实现了可根据不同的需要配置多种不同带宽的中频滤波器，适合不同带宽波形的配置需求；
4.实现了C波段4GHz～8GHz宽频段射频信号的接收和发射，能满足C波段的各种应用。
5.实现了一通用的C波段工作波形的测试平台，极大便利了C波段航空无线通信数据链系统的测试。
附图说明
图1为宽带可配置C波段射频前端简化框图。
图2为发射通道原理图。
图3为接收通道原理图。
图4为本振单元原理框图。
图5为控制单元和电源单元原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明。
本实施例所示的一种宽带可配置C波段射频前端由1路发射通道、1路接收通道、本振单元、控制和电源共5部分组成，其简化框图见图1，下面对单元具体实施方法作详细说明。
一.发射通道
发射通道采用超外差二次变频的方式实现140MHz中频信号到C波段射频信号f7的上变频。参见图2所示，具体包含：第一固定衰减器201、带宽为60MHz的第一带通滤波器202、第一混频器203、第一放大器204、第二带通滤波器205、第一数控衰减器206、第二放大器207、第三带通滤波器208、第二数控衰减器209、第二混频器210、第一调谐滤波器211、第三放大器212、第四放大器213、第三数控衰减器214、第五放大器215、第二调谐滤波器216；
输入的140MHz中频信号，首先经过第一固定衰减器201、第一带通滤波器202进行固定衰减、滤波，然后经过第一混频器203与固定本振f1进行第一次混频，输出高中频信号f5；
高中频信号f5首先依次经过第一放大器204、第二带通滤波器205、第一数控衰减器206、第二放大器207、第三带通滤波器208、第二数控衰减器209进行放大、滤波、数控衰减、再放大、滤波、数控衰减，然后经过第二混频器210与可变本振f2进行第二次混频，输出C波段射频信号f7；
C波段射频信号f7依次经过第一调谐滤波器211、第三放大器212、第四放大器213、第三数控衰减器214、第五放大器215、第二调谐滤波器216进行滤波、放大、再放大、数控衰减、再放大、再滤波，输出C波段射频信号f7。
a)输出信号幅度0dBm和-100dBm～-50dBm可调，通过在140MHz中频段、f5高中频段和C波段射频段各加入31.5dB数控衰减器、45dB数控衰减器和31.5dB数控衰减器实现输出信号电平在-50dBm～-100dBm可调及0dBm输出控制；
b)三阶互调40dBc@-10dBm是通过选择合理的器件以及进行信道电平的分配来实现，根据测试，在140MHz中频输入信号-10dBm、C波段信号输出幅度为0dBm的情况下，三阶互调指标为40.7dBc；
c)带内、带外杂散抑制主要通过选择合适的高中频频率保证高中频的多次谐波以及后面的可变本振信号及其谐波不在C波段信号带内，再通过选择合适混频器、设计合适的f5中频滤波器及C波段滤波器等措施达到带内带外杂散抑制度要求，杂散主要是两次混频引起的本振泄露，射频泄露，中频泄露，以及混频器的交调产物，具体抑制杂散措施如下：
·第一级混频后的第二带通滤波器205，主要抑制固定本振f1泄露信号、140MHz射频泄露、140MHz中频的多次谐波，以及混频器的交调产物。选择带通滤波器BPF2通带保证上面的各种杂散信号均在其带外抑制50dBc范围内，其带外抑制：≥50dBc@f5+12MHz；≥50dBc@f5-12MHz，加上混频器对交调产物抑制10dBc；本振泄露约-20dBm，中频泄露约-10dBm，由混频器产生的140MHz中频的多次谐波抑制由于有二级带通滤波器BPF2(f5)，在射频抑制在80dBc以上。因此，杂散抑制在90dBc以上。
·第二级混频后第一电调带通滤波器BPF3，主要抑制可变本振f2泄露，f5高中频泄露，高中频多次谐波，以及混频器的交调产物。其带外抑制：≥40dBc@0.75×f7；≥40dBc@1.22×f7；中频泄露，中频4次以内谐波信号，混频器本身抑制应在25dBc以上，加上2级滤波器抑制，因而抑制在85dBc以上；本振泄露约-25dBm，加上2级电调带通滤波器BPF3抑制约70dBc，总抑制在65dBc以上。末级输出C波段射频信号f7谐波抑制90dBc，放大器本身谐波抑制在15dBc，因而总谐波抑制应105dBc以上，杂散抑制在65dBc以上。因此，最终发射激励通道的杂散抑制在60dBc以上。
二.接收通道
接收通道采用超外差二次变频的方式实现C波段射频信号f8到140MHz中频信号的下变频。参见图3所示，具体包含：第六放大器101，一对三选一开关102、包含三个不同频段的带通滤波器的滤波器组103、第四数控衰减器104、第三混频器105、第七放大器106、第四带滤波器107、第八放大器108、第五带通滤波器109，第四混频器110、60MHz的第六带通滤波器111、第九放大器112、一对五选一开关113、包含五档不同的中频带通滤波器的中频带通滤波器组114，一对一分二开关115、AGC稳幅通道116、对数放大通道117，第二固定衰减器118、第七带通滤波器119；
C波段射频输入信号f8先经过第六放大器101进行低噪声放大，然后经过由一对三选一开关102根据控制单元的控制从滤波器组103中选中的一个带通滤波器进行滤波，再经过第四数控衰减器104进行数控衰减，最后经过第三混频器105与可变本振f3进行第一次混频，混频后输出高中频信号f6；
高中频信号f6先依次经过第七放大器106、第四带滤波器107、第八放大器108、第五带通滤波器109进行放大、滤波、再放大、滤波，最后经过第四混频器110与固定本振f4进行第二次混频，输出140MHz中频信号；
140MHz中频信号先经过第六带通滤波器111滤除相关杂散信号，然后经过第九放大器112进行放大，再后经过由一对五选一开关113根据控制单元的控制从中频带宽滤波器组114中选中的一个中频带通滤波器进行滤波，接着经过由一分二开关115根据控制单元的控制选择的AGC稳幅通道116进行AGC放大或对数放大通道117进行快速稳幅，最后经过第二固定衰减器118和第七带通滤波器119进行固定衰减、滤波输出线性中频信号或对数中频信号；
所述控制单元根据接收的C波段射频输入信号的频段控制一对三选一开关102在滤波器组103内进行切换、控制一对五选一开关113在中频带通滤波器组114内进行切换，控制一对一分二开关115在线性放大路和对数放大路之间进行切换。
a)C波段-90dBm～-20dBm接收信号通过二选一开关选择AGC稳幅通道116或对数放大通道117，AGC稳幅通道116是通过采用高动态范围检波器、80dB增益控制的两级AGC放大器和数控衰减及耦合器实现动态70dB的自动增益控制，对数放大通道117采用近100dB的对数放大器加数控衰减器共同达到快速稳幅。
b)接收通道的噪声系数是各级模块的累加，其中前级模块的影响比较大。通过在射频前级选取低插损的滤波器，以及高增益低噪声LNA，并在高噪声系数部分，插入放大器，提高级间增益限制噪声，这样可以得到比较好的噪声系数。实际测得接收通道总噪声系数为4.87。
c)三阶互调40dBc@-10dBm是通过选择合理的器件以及进行信道电平的分配来实现，根据链路各器件的IP3指标及各级输入信号功率分配，在C波段输入信号幅度-20dBm，140MHz中频输出幅度为-10dBm的情况下，三阶互调指标为45dBc。
d)带内、带外杂散抑制采取的措施同发射通道，主要通过选择合适的高中频频率保证C波段射频信号、可变本振信号及它们交调产物不落入高中频带内；再通过选择合适混频器、设计合适的f6中频滤波器及C波段滤波器等措施达到带内带外杂散抑制度要求，杂散主要是两次混频引起的本振泄露，射频泄露，中频泄露，以及混频器的交调产物。
e)不同信号带宽的实现是通过五选一开关113实现5种不同带宽滤波器选择,此处设计成可根据不同的需要更换不同带宽的中频滤波器。
三.本振单元
本振单元由2个固定本振(f1和f4)和2个可变本振(f2和f3)组成，两可变本振频率变化范围为4GHz，频率步进为5MHz，相位噪声是1KHz：优于-80dBc/Hz，10KHz：优于-90dBc/Hz，100KHz：优于-90dBc/Hz。两固定本振均采用集成VCO的锁相环实现输出f1和f4。两可变本振均采用锁相环、外置宽带压控振荡器、环路滤波器、倍频器及电调滤波器组成，具体见图4。本振单元采用的参考晶振的频率为50MHz,其相位噪声：
1KHz：优于-137dBc/Hz；
10KHz：优于-142dBc/Hz；
100KHz：优于-147dBc/Hz。
由于输出C波段信号最高工作频率为8GHz,根据公式：
PN＝PNsyn+20log(Fout/Fpfd)
其中PN为系统带内相位噪声，PNsyn为恒温晶振的相位噪声，Fout为最高工作频率8GHz，Fpfd为鉴相器工作频率，Fpfd为50MHz。
PN＝-137+20log(8000/50)＝-92.9dBc/Hz(1KHz处相位噪声)；
PN＝-142+20log(8000/50)＝-97.9dBc/Hz(10KHz处相位噪声)；
PN＝-147+20log(8000/50)＝-102.9dBc/Hz(100KHz处相位噪声)。
四.控制单元
控制单元由FPGA、多路驱动电路等组成，完成本振控制、调谐滤波器的控制、接收通道控制、不同信号带宽选择控制、检测及链路的衰减控制功能。
五.电源电路
电源电路完成将外部+15V和+5.5V电源转换为内部发射通道、接收通道、本振单元和控制单元提供所需电源。
控制单元和电源电路的原理框图见图5。

Claims (6)

1.一种宽带可配置C波段射频前端，包含控制单元、接收通道和本振单元，其特征在于本振单元向接收通道输出固定本振f4和可变本振f3；
所述接收通道依次包含第六放大器(101)，一对三选一开关(102)、包含三个不同频段的带通滤波器的滤波器组(103)、第四数控衰减器(104)、第三混频器(105)、第七放大器(106)、第四带滤波器(107)、第八放大器(108)、第五带通滤波器(109)，第四混频器(110)、60MHz的第六带通滤波器(111)、第九放大器(112)、一对五选一开关(113)、包含五档不同的中频带通滤波器的中频带通滤波器组(114)，一对一分二开关(115)、AGC稳幅通道(116)、对数放大通道(117)，第二固定衰减器(118)、第七带通滤波器(119)；
C波段射频输入信号f8先经过第六放大器(101)进行低噪声放大，然后经过由一对三选一开关(102)根据控制单元的控制从滤波器组(103)中选中的一个带通滤波器进行滤波，再经过第四数控衰减器(104)进行数控衰减，最后经过第三混频器(105)与可变本振f3进行第一次混频，混频后输出高中频信号f6；
高中频信号f6先依次经过第七放大器(106)、第四带滤波器(107)、第八放大器(108)、第五带通滤波器(109)进行放大、滤波、再放大、滤波，最后经过第四混频器(110)与固定本振f4进行第二次混频，输出140MHz中频信号；
140MHz中频信号先经过第六带通滤波器(111)滤除相关杂散信号，然后经过第九放大器(112)进行放大，再后经过由一对五选一开关(113)根据控制单元的控制从中频带宽滤波器组(114)中选中的一个中频带通滤波器进行滤波，接着经过由一分二开关(115)根据控制单元的控制选择的AGC稳幅通道(116)进行AGC放大或对数放大通道(117)进行快速稳幅，最后经过第二固定衰减器(118)和第七带通滤波器(119)进行固定衰减、滤波输出线性中频信号或对数中频信号；
所述控制单元根据接收的C波段射频输入信号的频段控制一对三选一开关(102)在滤波器组(103)内进行切换、控制一对五选一开关(113)在中频带通滤波器组(114)内进行切换，控制一对一分二开关(115)在AGC稳幅通道(116)和对数放大通道(117)之间进行切换。
2.根据权利要求1所述的一种宽带可配置C波段射频前端，其特征在于还包含发射通道；
所述本振单元向发射通道输出固定本振f1和可变本振f2；
所述发射通道包含第一固定衰减器(201)、带宽为60MHz的第一带通滤波器(202)、第一混频器(203)、第一放大器(204)、第二带通滤波器(205)、第一数控衰减器(206)、第二放大器(207)、第三带通滤波器(208)、第二数控衰减器(209)、第二混频器(210)、第一调谐滤波器(211)、第三放大器(212)、第四放大器(213)、第三数控衰减器(214)、第五放大器(215)、第二调谐滤波器(216)；
输入的140MHz中频信号，首先经过第一固定衰减器(201)、第一带通滤波器(202)进行固定衰减、滤波，然后经过第一混频器(203)与固定本振f1进行第一次混频，输出高中频信号f5；
高中频信号f5首先依次经过第一放大器(204)、第二带通滤波器(205)、第一数控衰减器(206)、第二放大器(207)、第三带通滤波器(208)、第二数控衰减器(209)进行放大、滤波、数控衰减、再放大、滤波、数控衰减，然后经过第二混频器(210)与可变本振f2进行第二次混频，输出C波段射频信号f7；
C波段射频信号f7依次经过第一调谐滤波器(211)、第三放大器(212)、第四放大器(213)、第三数控衰减器(214)、第五放大器(215)、第二调谐滤波器(216)进行滤波、放大、再放大、数控衰减、再放大、再滤波，输出C波段射频信号f7。
3.根据权利要求2所述的一种宽带可配置C波段射频前端，其特征在于的第一数控衰减器(206)衰减31.5dB，第二数控衰减器(209)衰减45dB，第三数控衰减器(214)衰减31.5dB。
4.根据权利要求2所述的一种宽带可配置C波段射频前端，其特征在于可变本振f2和可变本振f3的可变本振频率变化范围为4GHz，频率步进为5MHz，相位噪声要求为：
1KHz：优于-80dBc/Hz；
10KHz：优于-90dBc/Hz；
100KHz：优于-95dBc/Hz。
5.根据权利要求2所述的一种宽带可配置C波段射频前端，其特征在于可变本振f2和可变本振f3采用锁相环、外置宽带压控振荡器、环路滤波器、倍频器及电调滤波器组(103)成。
6.根据权利要求2所述的一种宽带可配置C波段射频前端，其特征在于固定本振f1和固定本振f4采用集成VCO的锁相环实现。
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