CN110429952B

CN110429952B - 一种Ku波段综合射频收发系统

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Publication number: CN110429952B
Application number: CN201910479755.7A
Authority: CN
Inventors: 卜景鹏; 马向华; 汪雄剑; 官国阳; 刘进军
Original assignee: Guangdong Shengda Electronic Co ltd
Current assignee: Guangdong Shengda Electronic Co ltd
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2024-04-19
Anticipated expiration: 2039-06-04
Also published as: CN110429952A

Abstract

本发明提供一种Ku波段综合射频收发系统，包括天线、射频接收机、射频发射机、频率源；所述的天线通过对发射和接收的射频信号进行隔离的双工器分别与射频接收机和射频发射机相连；所述的射频发射机包括上变频器，所述的上变频器包括将中频信号为中心频率280HMz带宽40MHz的调制信号上变频提高频率至L波段的第一级上变频混频器和将L波段的调制信号上变频提高频率至Ku波段第二级上变频混频器；所述的射频接收机包括下变频器，所述的下变频器包括将接收到的Ku波段的射频信号下变频到L波段的调制信号的第一级下变频混频器和将L波段的调制信号下变频到200MHz中频输出的第二级下变频混频器。本发明的Ku波段综合射频收发系统具有Ku频段通信传输的优点。

Description

一种Ku波段综合射频收发系统

技术领域

本发明涉及射频收发系统领域，特别是一种Ku波段综合射频收发系统。

背景技术

长期以来，雷达系统和通信系统在各自领域独立发展，随着科技的进步以及军用电子系统的升级换代，产生了雷达和通信系统两者具有硬件同一化、软件兼容化的新要求。雷达和通信系统的硬件构成基本相同，均是通过电磁波的发射和接收过程实现其功能；在信号层面上，通信和雷达探测的信号已变得趋于相同，工作频率互有重叠，信号调制特征也区别不大，因此共享两者的硬件和软件理论上是可行的。采用兼容通信和雷达功能(也可以包含其他功能)的多功能综合射频系统可以极大地提高系统的作战能力，降低部队在这些设备上的采购成本。

随着现代射频芯片和数字处理芯片等微电子集成技术的发展以及软件工程技术的提高，基于综合射频前端的多功能射频系统硬件平台，共享天线、发射系统以及接收系统的部分或全部，通过软件编程动态配置实现雷达和通信等不同的功能已具备工程实施可行性。现代化综合射频系统应具有跳频扩频功能、抗干扰、高数据率、高信息安全性、紧凑的终端设备尺寸和重量等特点。美国及其北约盟国以及以色列等国家陆续发展了多个频段综合射频系统，工作于C、X和Ku等频段，具有点对点视距数据传输、中继传输、卫星通信以及雷达探测等功能。

国内也有多所大学和研究所发起了综合射频系统的设计研究。文献【1】 (张福滨.无人机数据链射频通道设计.天津大学硕士论文，2011.)提出了一款应用于无人机数据链的综合射频通道，能够实现测量和控制信息的实时传输，实时操控无人机的飞行、获取侦查信息并将信息回传。该系统具有先进的数字化设计方案，结合低成本的民用器件和高精细的结构设计，采用抗干扰通信体制，采用高压缩比图像压缩，具备动态彩色图像传输能力，采用低功耗设计，采用高密度印制板布板技术，减轻总体的体积重量，采用轻型全向天线设计，满足无人机综合射频系统的技术要求，可完全替代国外的同类产品。文献【2】(王铮勐，饶浩，梁显锋.一种低成本高可靠无人机机载数据通信系统设计[J].电讯技术，2018，58(8)：970-975.)为满足远飞行距离的数据传输，提出了一种低成本、高集成度、多功能集成及高可靠性的机载数据通信系统方案，设计了一款集合S波段和C波段射频收发链路的射频综合系统。全系统重量小于2kg，尺寸为160x139x77mm，整机功耗小于58W，可以实现30km高达10Mbps数据率的无线数据传输。文献【3】(王才华，张德智，方南军，陈利杰.一种S波段多功能综合射频系统设计.雷达与对抗， 2017,37(4)：30-34.)提出了一种新型的基于数字阵列雷达体制的S波段多功能射频系统设计。该系统采用多功能共用硬件模块，其雷达功能、通信功能和电子战功能均基于同一套硬件体系，具体模块包含宽带天线、宽带多功能数字阵列模块、宽带频率源及功分网络设计以及时钟分配设计。该系统的硬件和软件均采用开放式结构，采用功能层次划分，各层次之间的连接采用标准的接口，满足可扩展和易维护等需求。软件采用功能模块化设计，通过激活不同的功能模块实现不同的系统功能，软件模块之间也采用标准接口，便于系统调试和功能扩展。文献【4】(蓝骥.宽带毫米波通信接收前端的研究.东南大学硕士论文，2015.)设计了一款毫米波多功能射频接收机。通过合理的链路设计以及对低噪声放大器、滤波器等主要器件的优化设计，该接收机前端在28GHz的接收增益大于26.5dB，500MHz带宽内増益平坦度小于 0.8dB，噪声系数小于4.3dB，输入1dB压缩点和3阶互调点分别大于-21dBm 和-11.2dBm，镜像抑制达到45dBc。对调制信号质量的测试表明，50MHz带宽内QPSK、QAM16、QAM64和QAM信号的EVM分别小于3.4％、2.6％、2.3％和2.1％；250MHz和500MHz带宽内QAM16调制的EVM小于5.1％和7％。该系统具有良好的射频性能和通道一致性，非常适合于大规模MIMO的应用。

基本的通信系统为两地通信提供服务，两地均要配置相同或相近功能的射频收发组件，例如航空器数据链系统包含吊舱数据传输系统和地面数据传输系统两大部分组成。下行链路(吊舱—>地面)主要传输高清视频信号和其他相关数据；上行链路(地面—>吊舱)主要用于传输地面的遥控指令等数据如图1所示。雷达和侦查系统仅包含一地(仅含有机载射频系统或仅包含地面射频系统)的射频收发系统，雷达发射射频信号、经目标反射后再由本地雷达的接收前端接收，侦查功能仅包含被动的射频接收功能，因此这两种设备其射频系统仅相当于图1的一半，即地面收发模块(或机载收发模块)。因此可见一套具有多功能的射频收发系统即可能完成雷达和通信侦查功能，而多套射频收发系统即可同时完成多地的无线通信、雷达和通信侦查功能。

完整的通信系统(即图1中的机载或地面设备)包括天线、伺服机构、射频收发机和信号处理模块等四部分。地面天线为高增益定向天线，用于数据传输；跟踪天线用于粗略飞机定位；机载天线为中等增益定向天线。射频收发机用于发射和接收高频微波信号。伺服机构与天线和信号处理模块形成闭环控制，实时对准天线。信号处理模块负责收发指令、收发视频数据以及控制伺服工作等功能。综合射频收发组件是通信和雷达系统的核心部件，高级综合射频系统集合了射频前端综合化设计技术、模块化设计、通道化设计、大功率宽带器件技术以及微系统技术、微机电系统技术等高新技术，体现了一个企业乃至国家的工艺技术水平。

目前业界广发使用的射频收发组件多针对单一功能开发的射频硬件系统，难以实现横向的功能拓展；而目前已出现的综合化射频系统射频综合程度不高，硬件复用程度低；另外，频率源灵活配置程度低，难以适应多波形、多调制以及宽带射频系统使用。

这是由于：

早期的射频开发由于微波器件功能单一，容易实现单一功能的射频硬件系统，若要实现多功能的综合系统，势必采用多套子系统堆叠，提高了研发复杂度和成本，同时降低了产品的可靠性。而单一功能的射频硬件系统一旦设计生产完成，具体实现功能和技术参数固定，难以实现横向的功能拓展。

目前已出现的综合化射频系统射频综合程度不高，仅在主要功能模块基础上略加拓展，实现额外的某种辅助功能，实际上其硬件复用程度仍较低。

传统的微波频率源仅针对单一功能的射频模块设计，灵活配置程度低，面临波形单一、没有调制功能、跳频带宽不足等问题。

发明内容

本发明针对目前射频收发组件的上述不足，提供一种Ku波段综合射频收发系统。实现如下技术目的：

1、实现Ku波段覆盖2.5GHz带宽的宽带射频收发系统，具有高接收灵敏度、高动态范围、高功率输出等优点。

2、射频链路采用二级变频模式，一本振和二本振均采用宽带捷变跳频频率源，射频通道采用多通道模式，方便根据具体功能选择合适的工作带宽。

3、频率源采用DDS配合多锁相环模式，频率可灵活配置，能够实现多波形、多调制功能，多锁相环架构用于实现宽带射频频率源

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种Ku波段综合射频收发系统，包括天线、射频接收机、射频发射机、频率源；所述的天线通过对发射和接收的射频信号进行隔离的双工器分别与射频接收机和射频发射机相连；所述的射频发射机包括上变频器，所述的上变频器包括将中频信号为中心频率280HMz带宽40MHz的调制信号上变频提高频率至L波段的第一级上变频混频器和将L波段的调制信号上变频提高频率至Ku波段第二级上变频混频器；所述的射频接收机包括下变频器，所述的下变频器包括将接收到的Ku波段的射频信号下变频到L波段的调制信号的第一级下变频混频器和将L波段的调制信号下变频到200MHz中频输出的第二级下变频混频器。

本发明的Ku波段综合射频收发系统具有Ku频段通信传输的优点。

进一步的，上述的Ku波段综合射频收发系统中：所述的射频发射机的中频信号处理装置包括发送VGA放大器、第一声表面波滤波器和第一中频LC 滤波器；中心频率280HMz带宽40MHz的中频信号经发送VGA放大器放大以后依次通过第一声表面波滤波器和第一中频LC滤波器滤波后接入上变频器的第一级上变频混频器的中频信号输入端。

进一步的，上述的Ku波段综合射频收发系统中：所述的射频发射机的射频信号处理装置包括驱动放大器、射频腔体滤波器、功率放大器和波导隔离器；上变频器输出的Ku波段的射频信号依次通过驱动放大器、射频腔体滤波器、功率放大器和波导隔离器后由天线发射。

进一步的，上述的Ku波段综合射频收发系统中：所述的射频发射机的功率放大器采用TGA2514-FL、TGI1314-25L和TGI1414-50三级放大器级联实现；所述的功率放大器上还包括采用翅片散热结构并采用风扇强制风冷的散热装置。

进一步的，上述的Ku波段综合射频收发系统中：所述的射频接收机的中频信号处理装置包括第一LC滤波器、第二声表面波滤波器、接收AGC放大器和第二LC滤波器；所述的下变频器的第二下变频混频器的输出端经由第一LC 滤波器、第二声表面波滤波器两级滤波以后，通过接收AGC放大器放大，再由第二LC滤波器滤波输出200MHz的中频信号。

进一步的，上述的Ku波段综合射频收发系统中：为所述的上变频器和下变频器产生本振信号的频率综合器包括四个带100MHz晶振频率分别为 4.25GHz、4.55GHz、4.85GHz、5.15GHz的独立锁相环、一个0.5－0.85GHz 的数字频率综合器；所述的数字频率综合器分别与独立锁相环混频生成的频率范围为4.75～5.1GHz、5.05～5.4GHz、5.35～5.7GHz、5.65～6GHz的频率源。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。

附图说明

附图1为航空器数据链系统。

附图2为本发明Ku波段综合射频收发系统原理框图。

附图3为本发明使用的DDS参考时钟的生成示意图。

附图4为本发明使用二本振设计示意图。

具体实施方式

实施例1，本实施例是Ku波段综合射频收发系统，适合于无人机和地面进行双向通信使用，如图2所示，包括天线1、射频接收机、射频发射机、频率源；天线1通过对发射和接收的射频信号进行隔离的双工器2分别与射频接收机和射频发射机相连。

实际上，天线1有两种，一种是无人机上的机载天线，另外一种是地面设备的地面天线，具体指标如下：

机载天线：频率：12～14.5GHz、增益：20dBi、轴比：≤3dB、端口驻波：≤1.5。

地面天线：频率：12～14.5GHz、增益：39dBi、轴比：≤3dB、馈线损耗：小于2dB、驻波：小于1.5

射频接收机和射频发射机、以及频率源的指标分别如下：

发射机：射频频率：12GHz～14.5GHz；输入频率：280MHz；输出功率：≥ 43dBm；输入功率：－10±1dBm；增益调整范围：30dB(0.5dB步进可调)；三阶交调：-18dBc@43dBm(双音功率之和为43dBm时)；信号3dB带宽：≥50MHz；谐波抑制：≥30dBc；噪声系数：≤12dB。

接收机：输入频率：12GHz～14.5GHz；输入功率：-110dBm～-10dBm；输出频率：200MHz；噪声：≤4dB；输出功率：-10dBm±0.5dBm；三阶互调：≤﹣ 40dBc@﹣10dBm；信号3dB带宽：50MHz/10MHz/1MHz/100kHz可调；谐波抑制：≥65dBc。

频率源要求：带内杂散抑制：≥60dBc、端口驻波：≤1.5、频率稳定度：优于±1×10-7、相位噪声：1KHz≤-90dBc/Hz、10KHz≤-100dBc/Hz、 100KHz≤-100dBc/Hz。

当前民用无线视频传输系统多是基于蓝牙、WiFi等技术进行数据传输，因此频率多选在2.4GHz和5.8GHz两个频段，但由于此频段频谱趋于饱和，信息传输难以获得较大的带宽，且易被干扰、截获，抗多径能力差等问题使得其不适合军事应用。因此军用视频传输的发展趋势是逐步淘汰S和C波段而向X以上的高频段发展，例如美军军用无人机视频传输频段已由C波段迁移到Ku和Ka波段。因此立足于高起点的技术研发以及未来国产无人机的需求，本实施例视频传输系统采用Ku波段。

Ku频段通信传输具有以下优点：

信息传输带宽大，容易获得500MHz～1GHz的工作带宽，易使用扩频工作方式传输视频信息。这在S波段和C波段是难以达到的。

射频系统尤其是天线的尺寸减小6倍、相应的重量可降低百倍(相对于S 波段来说)，小型和轻型通信设备对有效载荷要求苛刻的无人机系统来说是很重要的。

高频段有利于视距传输。在200km传输距离上，为保证S、C和Ku波段通视传输，第一菲涅尔区半径分别为45m、29m和18m，因此同样高度的遮挡对Ku波段信号影响较小。

抗干扰性能好。宽带传输具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗，适合军事通信系统中运用。相对于常规通信系统，直接序列扩频系统、频率跳变扩频系统、直接序列-频率跳变混合扩频系统、直接序列-时间跳变混合系统等对多径干扰不敏感，如果再采用自适应对消、自适应天线、自适应滤波等技术或措施，可以消除多径干扰。宽带系统还具有很高处理增益，能使信号增强的同时抑制输入干扰信号，系统的抗干扰能力强。

选择性寻址能力强，可以用码分多址的方式来组成多址通信网。多址通信网内的所有接收机和发射机可以同时使用相同的频率工作，网内的任一发射机可通过选择不同的扩频码来和使用相应扩频码的接收机相联系。使用扩频通信技术组成多址通信网时，网络的同步比常规通信体制易于实现。便于实现机动灵活的随机接入，便于采用计算机进行信息的控制和交换。

保密性能好，信息隐蔽以防截获。由于扩频通信系统使用码周期很长的伪随机码，经过调制后的数字信息类似于随机噪声，敌方采不易发现和识辨信号。扩频信号的功率相当均匀的分布在很宽的频率范围内，所以被传输的信号功率谱密度很低，侦察接收机难以检测，使得系统具有低的截获概率，从而提高了系统的保密性能。

频谱密度低，对其他通信系统的干扰小。在输出信号功率相同的情况下，由于扩频信号扩展了频带，降低了输出信号单位频带内的功率(能量)，从而降低了系统在单位频带内电波的通量密度。频谱密度低，不会造成对其他通信系统的干扰。

Ku频段可与卫星通信兼容，当无法视距传输时可将信号直接传输至卫星，而不需要配备另外的卫星通信系统。

本实施例选用Ku频段，此频段国内外的器件技术已经成熟可靠，天线和射频模块的尺寸可以做的较小，有利于机载应用，并且可用的带宽资源也较宽，较适宜于宽带信号如视频、高清图像等信息的传输。地面天线和机载天线均采用较高增益的圆极化天线，可以实现抗干扰并实现高数据率可靠传输。根据弗里斯传输公式，在Ku波段(14GHz，大气衰减0.05dB/km)，计算200km 的链路损耗为172dB。假设射频接收机的噪声系数为4dB，带宽分别在40MHz、 10MHz、1MHz、100kHz时，则接收机灵敏度为-94dBm、-100dBm、-110dBm、 -120dBm。考虑馈线损耗2dB和1dB极化损耗，以及保证接收机误码率和必要的系统裕量，需保留18dB信噪比，要求发射机发射功率与收发天线增益的和大于99dB。

因此合理分配发射机功率和收发天线的增益，发射机功率定为40dBm左右，发射天线(机载)增益21dB左右，接收天线(地面站)增益38dB左右。如果机载天线采用全向天线(增益约为0dB)，则需发射功率加大100倍或地面天线口径增大100倍，这两种解决方法带来的功耗和尺寸的增大都是不可忍受的。38dB的地面抛物面天线直径约1.2m，21dB的机载天线直径约150mm。机载天线选配全向天线时，可为20km(最大工作距离的1/10)范围内独立数据接收单元提供数据。

本实施例中综合射频系统包括5部分，分别是高增益定向单脉冲伺服跟踪天线、机载天线、射频接收机、射频发射机、频率源。在Ku频段，考虑到供电、尺寸、散热和性能，机载发射机的末端功率放大器的输出功率不易做的太大，选择在20W左右比较合适。机载天线也不适合选择高增益强方向性天线，因为强方向性天线需要的高性能稳定跟踪伺服系统，会显著增加系统的体积的重量，因此机载天性选择全向天线或小尺寸中等增益宽波束定向天线。系统设计余量以全向天线为准，半球覆盖的全向天线的增益不小于0dBi。换装定向天线可以使系统性能更佳(有更好的抗干扰或更高的通信数据率)。，地面系统选择带有跟踪伺服系统的高增益天线，发射功率也选择在20W。

据此，确定系统前端的性能参数确定如下：

(1)工作频段：Ku波段，12～14.5GHz；

(2)机载收发机：发射功率20W；

(3)地面收发机：发射功率20W；

(4)机载天线：环状波束半球覆盖天线(天线增益>0dBi，极化方式可选)；

(5)地面天线：定向跟踪天线(增益>39idBi，极化方式可选)，半功率波束覆盖范围2°×2°。

射频收发组件部分由接收机模块、发射机模块、频率合成器模块、接口模块和BIT故障检测模块组成。射频部分完成射频信号的发射和接收功能。主要功能包括：接收机前端和带限滤波器、射频信号产生、混频、频率合成、自动增益控制、频率调谐、收发转换等。与天线部分的接口包括：射频输入信号、射频输出信号、外部设备接口。与数字部分的接口包括：中频接收信号、中频发射信号、定时信号、射频参考信号输出；此外，还有状态控制、时钟和参考频率输入等。通过对组件的划分，各组件的内部的组成包括：

射频接收通道，主要由功率检测、滤波器、限幅、低噪声放大器、下变频器，驱动放大以及AGC等组成。

射频接收通道发射，主要由功率检测、驻波保护电路、滤波器、上变频器、数控衰减器、驱动放大和功率放大器组成。

频率综合器单元，主要由恒温晶振电路，锁相环电路以及DDS功能芯片和控制电路组成；输出一级和二级本振信号以及供外参考时钟。

接口电路，用于指令接收控制和数据上报。

BIT检测单元保护功率检测和温度检测等功能。

发射机的增益要求在50dB～70dB可调，如图2所示，因此需采用3级驱动。为防止高增益引起系统不稳定，在整体设计时要充分考虑结构的屏蔽和信号通道前后隔离。机载发射机要求在隔离器后功率输出达到43dBm，并要求三阶交调优于-18dBc。为保证最终输出功率和三阶交调指标，末级功放采用工作在线性区的50W功放管实现。发射机满功率工作时，预计有150W的热功率输出，为保证系统安全性，需对发射机进行有效散热。另外功率管在环境温度下会产生3dB的增益变化，因此必须对功放管栅压进行补偿，克服温度影响，同时还要加入温度监测与保护电路，避免温度过高烧毁芯片，并可以在电路放大级之间插入温度补偿衰减器，提高发射机的温度稳定性。

上变频组件中频频率混频之后大部分本振信号及镜频都落在了通带之内，因此需要解决本振泄露和镜频干扰问题，采用高本振隔离的IQ上变频器会很好的抑制镜频和本振，并利用可调带通滤波器进一步的抑制本振泄露和镜频干扰。另外还必须合理安排滤波电路，防止自身频谱分量相互串扰，保证系统满足电磁兼容的要求。

发射链路的原理框图如图2(也包括接收链路)，中频信号为中心频率280HMz带宽40MHz的调制信号，通过两级上变频提高频率至Ku波段。链路中采用多级放大器保证系统增益，同时为扩展中频信号的动态范围，增加了一级VGA。为抑制本振和镜频干扰采用高本振隔离的IQ变频器，同时插入多级滤波器保证频谱纯度。功率放大模块是发射机的核心部分，该部分采用 TGA2514-FL、TGI1314-25L和TGI1414-50三级放大器级联实现。根据器件资料，TGI1414-50在Pout为43dBm时，IM3为-19dBc，PAE为22％；TGI1314-25L 在Pout为37dBm时，IM3为-25dBc，PAE为20％。功率和交调能够满足系统的要求。发射机系统总功耗大概为140W。

发射机的热功耗约为120W，必须采用翅片散热结构并采用风扇强制风冷。功放管TGI1414-50，的热阻为1.3℃/W，热功率为60W时结温升78℃，为确保功放寿命结温最高限制175℃，因此管壳温度应低于97℃。发射机采用流量24m³/h风扇进行风冷，在最高环境温度为50℃时，功放管管壳温度约为 98℃，稍稍偏高，如果考虑辐射散热，该散热设计能够满足热设计要求。

具体的发射链路如图2所示，中频信号为中心频率280HMz带宽40MHz的调制信号，经过第一VGA放大器201放大后，再由第一声表面波滤波器202 和中频LC滤波器203两级滤波以后，进入上变频器，在上变频器中，首先经过第一上变频混频器204与第一频率源205混频，然后经过中频LC滤波器206、中频可调滤波器207、中频滤波器209三级窄带滤波器滤波，其中，在中频可调滤波器207和中频滤波器209之间还有放大器208，通过滤波以后的窄带L波段调制信号经过第二上变频混频器210与第二频率源211混频，输出由射频腔体滤波器213滤波以后形成Ku波段的射频信号，经过功率放大器214放大以后，再由波导隔离器215和双工器2从天线输出。在上变频器输出后还经过放大器212放大后再射频腔体滤波器213滤波。

接收部分输入中频信号-110dBm～-10dBm，输出要求稳定输出-10dBm，最大增益需要70dB，因此需要使用多级放大，并采用多级AGC控制保证动态范围。接收链路三阶互调又要满足-40dBc，因此在链路的器件选择上要做到低噪声，高线性度。在链路的设计上要充分考虑每级之间隔离，防止信号的串扰。电路板的排布和结构的设计也要考虑小信号的杂散和高增益以及多频谱带来的信号之间互相干扰，提高接收信号的质量。

接收信号频率高，信号电平低，对频率源杂散的要求高。中频输出为 200MHz，需要两级下变频，在第一级变频中，将信号变到L波段。这级混频主要是要求本振源的杂散和相噪能够满足要求，同时要求IQ调制器本振隔离和镜频抑制度高。并加上窄带可调滤波器抑制本振和镜频。在第二级混频中将L波段混到200MHz。主要考虑也是混频器本身最佳的本振泄露和镜频抑制。在整个接收链路中，频谱分量丰富，而整个系统对杂散的要求很高，这就必须在原理设计，电路排布，腔体屏蔽上精心设计保证每个环节都能满足设计要求。由于高速数据电台采用的高效调制技术(8PSK)要求接收信道应具有良好的线性，因此在接收通道中采用了AGC技术以保证接收通道线性工作。根据通信电台技术指标要求：输入工作频率信号的功率为+37dBm(5W)时，并保持5分钟,不应引起接收机性能永久下降，造成性能不合格。考虑实际使用情况和技术可实现性等因素，电台接收机必须具有大信号保护电路，二中频选择应充分考虑解调器、信道带宽和滤波器设计的可行性。

射频接收通道主要是实现对天线接收的射频信号进行放大、滤波处理，根据具体功能性能要求分析如下。系统噪声系数应小于4dB，采用前置低噪放能够满足系统噪声系数的要求，本设计采用HMC903芯片，单片增益18dB，噪声系数为1.8dB。接收系统动态范围100dB，中频信号幅度范围0dB，因此AGC 动态范围应为100dB以上；因此若选用50dB动态范围的AGC芯片，需采用两片级联；本设计将两片AGC分别置于中频和第一中频，总动态范围可达100dB。 AGC响应时间小于2us，满足系统指标要求。

为满足系统镜频抑制要求，需在链路中合适位置加带通滤波器。采用5 阶射频滤波器即可在最近的镜频频率产生70dBc的抑制。第一中频滤波器采用声表面波滤波器。接收链路输入和输出端均采用定向耦合器利用对数检波器进行功率检测。对数检波器采用AD8310芯片，该芯片具有高动态范围 (60dB)，可测功率范围为-87～13dBm，输出电压0.5～2.75V，按8bitAD转换采样，功率分辨率可以达到100/256＝0.4dB。

接收采用多通道模式，设置带宽分别为40MHz、10MHz、1MHz和100kHz，分别用于满足传输视频数据、图像数据、勤务和语音数据等需求。

从以上对接收链路的链路分析可以得到：噪声系数为3.65dB，满足指标不大于4dB要求；最大增益为100dB(实际调试可以对链路中的匹配衰减进行调整)；输入为最大信号-10dBm情况下，链路没有压缩，满足动态范围要求；最小可检测信号-110dBm，动态范围满足100dB。

双工器用于对发射和接收的射频信号进行隔离，作为发射机的末级和接收机的前级，要求具有很低的插损，因此采用波导滤波器；由于系统为全双工工作，要求接收通道在发射频带抑制越高越好，对于机载设备是低频带滤波器在高频带抑制度高，对地面设备要求高频带滤波器在低频带抑制度高，因此若统一地面和机载双工器，要求双工器相互隔离保持统一水平，因此采用同阶滤波器。

如图2所示，天线1接收到的射频信号经由双工器2后，经由低噪放大器101放大后进入下变频器，在下变频器中首先通过第一下变频混器102与第一下变频本振频率源103混频以后，利用第二中频LC滤波器104和第二中频可调滤波器105和第二中频滤波器107滤波后形成L波段的调制信号，进入第二级下变频混频器108与第二下变频本振频率源109混频，在第二中频滤波器107滤波之前，还有放大器106放大。下变频器的输出信号经第一LC 滤波器110、第二声表面波滤波器111两级滤波以后，通过接收AGC放大器 112放大，再由第二LC滤波器113滤波输出200MHz的中频信号。

频率综合器采用锁相环(PLL)与数字频率综合器(DDS)混频合成。DDS 参考时钟由100MHz参考晶振的直接20倍频实现(如图3所示)，生成的2GHz 参考时钟，其相位噪声相对于晶振恶化26dB，可达-134dBc@1kHz，-139dBc@10kHz，-139dBc@100kHz，经适当滤波时候杂散可优化为80dBc以上。 DDS相当于分频器，分频后的相位噪声取决于分频频率的理论相位噪声和DDS 自身噪底两者较差的值。本实施例所采用的DDS型号为AD9915，其分频噪底为-120dBc@1kHz，-130dBc@10kHz，-130dBc@100kHz，比参考时钟差，因此DDS 生成的频率相位噪声取决于其分频噪底。

一本振采用锁相环实现，发射一本振频率为2.22GHz，接收一本振频率为 2.3GHz，相位噪声可达-112dBc@1kHz，-112dBc@10kHz，-115dBc@100kHz。

二本振采用PLL与DDS混频生成，由于射频系统带宽达2.5GHz，因此采用分段频率合成方案，四个独立PLL与DDS混频分别覆盖一段相对较窄的频段，进而四段合成形成宽频本振频率源，如图4所示。DDS输出频率范围为 0.5-0.85GHz，四个独立PLL频率分别为4.25GHz、4.55GHz、4.85GHz、5.15 GHz，DDS与各个锁相环频率混频后生成的频率范围为4.75～5.1GHz、 5.05～5.4GHz、5.35～5.7GHz、5.65～6GHz，各段之间略有重叠，经滤波器组滤波后由单刀四掷开关合路，再二倍频生成9.5～12GHz。DDS信号与PLL信号混频，相噪取决于PLL，杂散取决于DDS，二倍频后相噪和杂散均恶化6dB。最终可达到的指标为：相噪-95dBc@1kHz，-105dBc@10kHz，-110dBc@100kHz，杂散好于-70dBc。

对外接口有上中频、下中频和100MHz参考源接口各一个(MCX)，射频输出端口一个(SMA或波导口)，低频接插件为J18-54插针，包括电源、通信线、8组差分线、四根ADC和6根DAC信号，针脚定义和分配如表1所示。

表1针脚定义

接口线名称	用途
		24V：4A	功率放大器
8.5V：6A	功率放大器
		6.5V：2A	小信号部分
4.5V：2A	小信号部分
		-6.5V：0.5A	功放栅压
TXD、RXD	通信线(与内部ARM通信)
		DIO1～DIO8	独立IO控制线
DAC_V1～DAC_V6	模拟控制线
		ADC_V1～ADC_V4	BIT检测

Claims

1.一种Ku波段综合射频收发系统，包括天线（1）、射频接收机、射频发射机、频率源；所述的天线（1）通过对发射和接收的射频信号进行隔离的双工器（2）分别与射频接收机和射频发射机相连；其特征在于：

所述的射频发射机包括上变频器，所述的上变频器包括将中频信号为中心频率280HMz带宽40MHz的调制信号上变频提高频率至L波段的第一级上变频混频器（204）和将L波段的调制信号上变频提高频率至Ku波段第二级上变频混频器（210）；

所述的射频接收机包括下变频器，所述的下变频器包括将接收到的Ku波段的射频信号下变频到L波段的调制信号的第一级下变频混频器（102）和将L波段的调制信号下变频到200MHz中频输出的第二级下变频混频器（109）；

所述的射频发射机的中频信号处理装置包括发送VGA放大器（201）、第一声表面波滤波器（202）和第一中频LC滤波器（203）；中心频率280HMz带宽40MHz的中频信号经发送VGA放大器（201）放大以后依次通过第一声表面波滤波器（202）和第一中频LC滤波器（203）滤波后接入上变频器的第一级上变频混频器（204）的中频信号输入端；

所述的射频接收机的中频信号处理装置包括第一LC滤波器（110）、第二声表面波滤波器（111）、接收AGC放大器（112）和第二LC滤波器（113）；所述的下变频器的第二下变频混频器的输出端经由第一LC滤波器（110）、第二声表面波滤波器（111）两级滤波以后，通过接收AGC放大器（112）放大，再由第二LC滤波器（113）滤波输出200MHz的中频信号。

2.根据权利要求1所述的Ku波段综合射频收发系统，其特征在于：所述的射频发射机的射频信号处理装置包括驱动放大器（212）、射频腔体滤波器（213）、功率放大器（214）和波导隔离器（215）；上变频器输出的Ku波段的射频信号依次通过驱动放大器（212）、射频腔体滤波器（213）、功率放大器（214）和波导隔离器（215）后由天线（1）发射。

3.根据权利要求2所述的Ku波段综合射频收发系统，其特征在于：所述的射频发射机的功率放大器采用TGA2514-FL、TGI1314-25L和TGI1414-50三级放大器级联实现；所述的功率放大器上还包括采用翅片散热结构并采用风扇强制风冷的散热装置。

4.根据权利要求1至3中任一所述的Ku波段综合射频收发系统，其特征在于：为所述的上变频器和下变频器产生本振信号的频率综合器包括四个带100MHz晶振频率分别为4.25GHz、4.55 GHz、4.85 GHz、5.15 GHz的独立锁相环、一个0.5－0.85GHz的数字频率综合器；所述的数字频率综合器分别与独立锁相环混频生成的频率范围为4.75~5.1GHz、5.05~5.4GHz、5.35~5.7GHz、5.65~6GHz的频率源。