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摘要：基于实际应用需求，采用超外差结构设计实现了一款 C 波段收发信机。收发信机采用异频双工模式工作，收发频带可互换，接收单元具有 60 dB 自动增益控制（AGC）动态范围，并具有链路增益程序控制功能，发射功能模块饱和输出功率为20 W，饱和状态下具有 18 dBc 双音互调特性。设计方案经样机验证，性能指标满足设计要求，可为同类型产品设计提供参考。
关键词：模块化设计;异频双工;组合干扰;收发隔离;自动增益控制
中图分类号：TN859 文献标志码：A 文章编号：1008-1739（2021）13-63-3
Design and Implementation of a C-band Transceiver
ZHAO Yun
（ The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China）
Abstract： Based on practical application requirements，a type of C-band transceiver is designed with superheterodyne systemstructure. This transceiver works in duplex mode with interchangeable receiving and transmitting frequency bands. The receiver unit has60 dB AGC dynamic range， and has a remote programmable gain control function. The transmitter unit has 18 dBc two-toneintermodulation characteristic at saturated 20 W output power. The hardware circuit has been completed and the test results meet thesystem performance requirements. The proposed transceiver can provide valuable reference for design of similar products.
Keywords：modular design;duplex mode at different frequencies;combination interference;transceiver isolation;automatic gaincontrol
0 引言
随着宽带通信技术的发展与成熟，各种通信应用对系统指标提出了更高的要求，其中包括提高峰值数据速率、小区边缘速率、频谱利用率、抗多径干扰及快速接入等。射频收发模块在传统设计基础上需要及时适应这些系统需求，在线性性能、功耗及效率等指标之间进行折中设计。GaN 高功率器件的发展为发射模块设计提供了解决方案。收发系统设计需要综合考虑各指标，尤其是收发隔离、变频组合干扰抑制等，确保收发通道传输信号的有效可靠。
1 指标设计
收发信机的常规设计指标包括：工作频段、带宽、频率步进、噪声系数、增益及发射功率等，本收发信机的具体指标为：射频工作频段 BW1，BW2;中频带宽 20 MHz;接收机噪声系数≤4 dB;发射双音交调≥18 dBc@1MH 间距;接收通道增益≥110 dB;接收通道 AGC 动态范围≥70 dBc;发射功率≥43dBm;频率步进 0.5 MHz，收发频率可互换。
2 设计方案及系统性能指标分析
系统采用超外差二次变频结构，模块化结构电路设计主要包括接收单元、发射单元、时钟单元、电源和控制单元、双工器及同轴开关等，系统结构如图 1 所示。
本振电路集成到接收单元和发射单元，为通道上、下变频提供本振驱动信号。为提高本振单元相位噪声和频率准确性，采用恒温晶振作为锁相参考，同时优化设计频率综合器环路电路设计。
接收单元和发射单元通过同轴开关与双工器组合选择收发频率范围。双工器发射端口功率较大，发射信号经双工器后要保证低噪声放大器不被泄漏信号堵塞，同时为避免发射端输出的接收频段噪声高于接收信号导致接收信号被淹没，设计双工器的收发隔离度为 80 dB，同样，同轴开关矩阵的隔离度设计为 80 dB。
发射单元射频链路对变频后的信号为线性放大，以满足系统应用对信号线性化指标的要求，末级采用一个具有 40 W饱和功率输出的 GaN 功率管完成功率信号输出，保证信号经过同轴开关和双工器后功放输出功率大于 20 W，同时满足信号双音交调大于 18 dBc 的指标要求。要实现系统杂散抑制指标，首先要求本振输出信号的频谱纯净度，其次在混频器输出端增加滤波器，滤除接收单元和发射单元不同的混频产物。
3 电路设计与实现
3.1 发射单元设计
发射单元电路由一次上变频单元、二次上变频单元、小信号驱动放大和功率放大单元组成。变频后功率放大部分为宽带放大，组件收发频段共用，输出双工器收发频段间抑制设计80 dBc，要保证发射通道落入接收通道的雜波低于 -137 dBm/Hz，中频滤波器对落入发射通道的杂波抑制需达到 85 dB 以上，此指标实现是发射通道设计成功的关键。发射通道一变频本振采用定本振，频率为 BW3 中，二变频本振为变本振，频率为BW4。发射通道频率变换对接收通道产生的变频组合干扰如表 1 和表 2 所示。
根据上述计算，组合干扰的阶数在 5 次以上的影响较小，位于 2.03 GHz 的干扰对指标实现影响最大，抑制指标实现的关键是一变频输出滤波器选择。为保证系统的交调指标，发射通道混频器输入号功率控制在 -5 dBm 左右。通道的增益分配如表 3 所示，输入功率为 0 dBm，功率放大器选用国产 GaN 功率放大器 CGH55015F25 实现。 3.2 接收通道设计
接收通道由限幅低噪放单元、一次下变频单元、二次下变频单元和中频 AGC 单元组成，程控衰减器放置在低噪放单元之后，可在大信号输入饱和时对信号幅度进行衰减，保证通信质量。限幅低噪放单元选用芯片模块化封装实现。发射单元经双工器进入接收单元的信号电平约为 40 dBm，为达到良好的收发隔离，变频单元需要对该射频信号进行有效滤除。二次下变频单元包括滤频器、滤波器及功分器等，变频后信号一部分经 AGC 单元给基带板，一部分给检波器做 RSSI 指示。AGC 单元中有滤波器组，完成中频宽窄带切换。
接收通道杂波干扰主要由两部分组成：一部分是进入接收通道的高电平发射信号，一部分是接收单元本振组合干扰。经计算，该部分信号与本振组合处的落入通带的信号组合阶次均在 7 次以上，该部分信号比较小。落入通带外的杂波可通过混频器后的镜像抑制滤波器滤除，AGC 单元采用 AD 公司的VGA 芯片 ADL5330[3]和检波器 AD8318[4]组合实现。接收通道增益分配如表 4 所示。
3.3 控制及接口设计
系统内部及对外控制接口如表 5 所示。控制功能集成在电源及控制单元内部，通过 STM32F103[5]Cortex-M3 处理器实现。处理器通过 12C 接口实时接收上位机传来的控制指令，并根据指令要求进行动作，同时处理器实时监控系统内部状态，并根据内部状态信息实现系统保护功能。
4 样品性能测试
对样品加电进行测试，收发单元相噪指标测试结果如表 6所示。发射单元输出标称功率时 1 MHz 间隔的双音信号交调抑制指标测试结果为 21 dBc。对接收单元动态进行测试，AGC起控点为 -50 dBm，控制范围为宽带（25 MHz 信号带宽）45 dB，窄带（300 kHz）56 dB。
5 结束语
采用超外差结构设计实现了一款 C 波段收发信机射频模块，经测试满足设计指标要求。本文详细介绍了方案，并对设计关键点进行了相关论述，可为类似设计提供一定的参考。该设计采用 GaN 器件实现功放单元，相对 GaAs 器件效率虽有改善，但整机效率仍旧偏低。为适应现代宽带通信技术发展，后续可引入功放预失真[6]技术以改善效率及系统线性。
参考文献
[1] 彭岳峰.LTE-Advanced 系统中若干关键技术的研究[D].北京：北京交通大学，2013.
[2] 李嘉.C 波段接收机关键技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
[3] 傅熙，石玉，尉旭波.基于 ADL5330 的多模式可变增益控制电路设计[J].磁性材料及器件，2020，51（6）：58-62.
[4] 贺欣.宽带大动态 AGC 电路设计[J].电子设计工程，2012，20（8）：167-170.
[5] 張伟，李长春，王圣元，等.基于 STM32F103 的数字式电镀电源并联均流系统设计[J].电子设计工程，2012，20（2）：174-176.
[6] 张亮，白钟元，李波.一种级联多项式的功放预失真模型[J].西安邮电大学学报，2019，24（2）：46-50.
关键词：模块化设计;异频双工;组合干扰;收发隔离;自动增益控制
中图分类号：TN859 文献标志码：A 文章编号：1008-1739（2021）13-63-3
Design and Implementation of a C-band Transceiver
ZHAO Yun
（ The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China）
Abstract： Based on practical application requirements，a type of C-band transceiver is designed with superheterodyne systemstructure. This transceiver works in duplex mode with interchangeable receiving and transmitting frequency bands. The receiver unit has60 dB AGC dynamic range， and has a remote programmable gain control function. The transmitter unit has 18 dBc two-toneintermodulation characteristic at saturated 20 W output power. The hardware circuit has been completed and the test results meet thesystem performance requirements. The proposed transceiver can provide valuable reference for design of similar products.
Keywords：modular design;duplex mode at different frequencies;combination interference;transceiver isolation;automatic gaincontrol
0 引言
随着宽带通信技术的发展与成熟，各种通信应用对系统指标提出了更高的要求，其中包括提高峰值数据速率、小区边缘速率、频谱利用率、抗多径干扰及快速接入等。射频收发模块在传统设计基础上需要及时适应这些系统需求，在线性性能、功耗及效率等指标之间进行折中设计。GaN 高功率器件的发展为发射模块设计提供了解决方案。收发系统设计需要综合考虑各指标，尤其是收发隔离、变频组合干扰抑制等，确保收发通道传输信号的有效可靠。
1 指标设计
收发信机的常规设计指标包括：工作频段、带宽、频率步进、噪声系数、增益及发射功率等，本收发信机的具体指标为：射频工作频段 BW1，BW2;中频带宽 20 MHz;接收机噪声系数≤4 dB;发射双音交调≥18 dBc@1MH 间距;接收通道增益≥110 dB;接收通道 AGC 动态范围≥70 dBc;发射功率≥43dBm;频率步进 0.5 MHz，收发频率可互换。
2 设计方案及系统性能指标分析
系统采用超外差二次变频结构，模块化结构电路设计主要包括接收单元、发射单元、时钟单元、电源和控制单元、双工器及同轴开关等，系统结构如图 1 所示。
本振电路集成到接收单元和发射单元，为通道上、下变频提供本振驱动信号。为提高本振单元相位噪声和频率准确性，采用恒温晶振作为锁相参考，同时优化设计频率综合器环路电路设计。
接收单元和发射单元通过同轴开关与双工器组合选择收发频率范围。双工器发射端口功率较大，发射信号经双工器后要保证低噪声放大器不被泄漏信号堵塞，同时为避免发射端输出的接收频段噪声高于接收信号导致接收信号被淹没，设计双工器的收发隔离度为 80 dB，同样，同轴开关矩阵的隔离度设计为 80 dB。
发射单元射频链路对变频后的信号为线性放大，以满足系统应用对信号线性化指标的要求，末级采用一个具有 40 W饱和功率输出的 GaN 功率管完成功率信号输出，保证信号经过同轴开关和双工器后功放输出功率大于 20 W，同时满足信号双音交调大于 18 dBc 的指标要求。要实现系统杂散抑制指标，首先要求本振输出信号的频谱纯净度，其次在混频器输出端增加滤波器，滤除接收单元和发射单元不同的混频产物。
3 电路设计与实现
3.1 发射单元设计
发射单元电路由一次上变频单元、二次上变频单元、小信号驱动放大和功率放大单元组成。变频后功率放大部分为宽带放大，组件收发频段共用，输出双工器收发频段间抑制设计80 dBc，要保证发射通道落入接收通道的雜波低于 -137 dBm/Hz，中频滤波器对落入发射通道的杂波抑制需达到 85 dB 以上，此指标实现是发射通道设计成功的关键。发射通道一变频本振采用定本振，频率为 BW3 中，二变频本振为变本振，频率为BW4。发射通道频率变换对接收通道产生的变频组合干扰如表 1 和表 2 所示。
根据上述计算，组合干扰的阶数在 5 次以上的影响较小，位于 2.03 GHz 的干扰对指标实现影响最大，抑制指标实现的关键是一变频输出滤波器选择。为保证系统的交调指标，发射通道混频器输入号功率控制在 -5 dBm 左右。通道的增益分配如表 3 所示，输入功率为 0 dBm，功率放大器选用国产 GaN 功率放大器 CGH55015F25 实现。 3.2 接收通道设计
接收通道由限幅低噪放单元、一次下变频单元、二次下变频单元和中频 AGC 单元组成，程控衰减器放置在低噪放单元之后，可在大信号输入饱和时对信号幅度进行衰减，保证通信质量。限幅低噪放单元选用芯片模块化封装实现。发射单元经双工器进入接收单元的信号电平约为 40 dBm，为达到良好的收发隔离，变频单元需要对该射频信号进行有效滤除。二次下变频单元包括滤频器、滤波器及功分器等，变频后信号一部分经 AGC 单元给基带板，一部分给检波器做 RSSI 指示。AGC 单元中有滤波器组，完成中频宽窄带切换。
接收通道杂波干扰主要由两部分组成：一部分是进入接收通道的高电平发射信号，一部分是接收单元本振组合干扰。经计算，该部分信号与本振组合处的落入通带的信号组合阶次均在 7 次以上，该部分信号比较小。落入通带外的杂波可通过混频器后的镜像抑制滤波器滤除，AGC 单元采用 AD 公司的VGA 芯片 ADL5330[3]和检波器 AD8318[4]组合实现。接收通道增益分配如表 4 所示。
3.3 控制及接口设计
系统内部及对外控制接口如表 5 所示。控制功能集成在电源及控制单元内部，通过 STM32F103[5]Cortex-M3 处理器实现。处理器通过 12C 接口实时接收上位机传来的控制指令，并根据指令要求进行动作，同时处理器实时监控系统内部状态，并根据内部状态信息实现系统保护功能。
4 样品性能测试
对样品加电进行测试，收发单元相噪指标测试结果如表 6所示。发射单元输出标称功率时 1 MHz 间隔的双音信号交调抑制指标测试结果为 21 dBc。对接收单元动态进行测试，AGC起控点为 -50 dBm，控制范围为宽带（25 MHz 信号带宽）45 dB，窄带（300 kHz）56 dB。
5 结束语
采用超外差结构设计实现了一款 C 波段收发信机射频模块，经测试满足设计指标要求。本文详细介绍了方案，并对设计关键点进行了相关论述，可为类似设计提供一定的参考。该设计采用 GaN 器件实现功放单元，相对 GaAs 器件效率虽有改善，但整机效率仍旧偏低。为适应现代宽带通信技术发展，后续可引入功放预失真[6]技术以改善效率及系统线性。
参考文献
[1] 彭岳峰.LTE-Advanced 系统中若干关键技术的研究[D].北京：北京交通大学，2013.
[2] 李嘉.C 波段接收机关键技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
[3] 傅熙，石玉，尉旭波.基于 ADL5330 的多模式可变增益控制电路设计[J].磁性材料及器件，2020，51（6）：58-62.
[4] 贺欣.宽带大动态 AGC 电路设计[J].电子设计工程，2012，20（8）：167-170.
[5] 張伟，李长春，王圣元，等.基于 STM32F103 的数字式电镀电源并联均流系统设计[J].电子设计工程，2012，20（2）：174-176.
[6] 张亮，白钟元，李波.一种级联多项式的功放预失真模型[J].西安邮电大学学报，2019，24（2）：46-50.