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[摘 要]Ka频段是卫星通信主要的工作频段，具有频带宽、信息容量大，设备尺寸小，抗干扰性和隐蔽性强等特点，能够满足高速、宽带和小口径终端等应用的要求。Ka频段卫星通信是卫星通信发展的一个重要方向和趋势。本文介绍了一种小型化Ka 频段收发信机的设计，其测试结果已达到应用要求，该设备具有指标先进、体积小、重量轻和功耗小等特点，在通讯等领域具有良好的应用前景。
[关键词]毫米波通信，Ka频段，收发信机
中图分类号：K658 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）22-0017-01
1 电路设计
收发信机主要由天线馈电网络、变频电路、本振源、监控和DC/DC 转换电路等组成，组成框图如（图l）所示。在（图l）中，中频信号经分路器和上变频电路变频至Ka波段，再经功放产生发射功率，通过天线馈电网络输出至天线；来自接收天线的信号，经天线馈电网络、发阻滤波器、低噪声放大和镜频滤波后，变频为中频信号，经分路器输出。
变频电路主要包括波导微带过渡、功率放大器、低噪声放大器、混频器、驱动放大器、射频滤波器、中频放大器等。末级功放采用单片集成固态功放，通过采取合理的散热措施，保证功放长期可靠工作。为达到良好的噪声系数，对波导微带探针过渡进行优化设计，其插入损耗可低于0.2dB。低噪声放大采用了3 级单片集成放大器，其噪声系数为1.5dB，总增益高于33dB，有效避免了后级电路对接收机噪声系数的影响。变频混频器采用谐波混频器，它可以实现混频分量中偶次组合波（包括本振和中频偶次谐波） 的良好抑制，一般可达60dB以上，Ka频段谐波混频器典型变频损耗为10dB，略大于基波混频器，但是相对于基波而言，可以大大降低毫米波本振電路设计的难度和成本，降低电路对本振抑制度的要求，减小设备体积功耗，提高了设备的可靠性。
收发分路器将主机通过两根电缆馈入的收、发复用信号用滤波器进行分离。其中，收发直流电源信号分离后分别送到收发DC/DC 变换电路，为其它模块提供稳定直流电压。监控电路包括超温监控和失锁监控，实现收发信机超温和失锁保护。
2 关键技术
2.1 天线馈电网络
天线馈电网络由圆一方波导过渡、正交模藕合器（OMT） 和发阻滤波器组成。
天线馈源圆极化器输入端的圆波导接口先通过圆一方波导过渡变换为方波导，方波导中收发信号极化正交，再通过波导分支型正交模耦合器（OMT）将收发信号分开。圆一方波导过渡采用渐变式结构，带宽可覆盖收发频段。实测OMT收发隔离可达32dB以上，收发支路损耗小于0.3dB。为了设备的轻小型化，发阻滤波器采用微带滤波器取代常用的波导滤波器，虽然较波导滤波器损耗略大，但是易于实现电路平面集成，有利于电路的小型化。微带滤波器长度为5mm×2.5mm，两个微带滤波器对发射信号的抑制可以达45dB。发阻滤波器仿真结果如（图2）所示。经过OMT和发阻滤波器的共同作用，收发隔离可达77dB。
2.2 轻小型化低功耗设计
在方案设计上，采用以下措施实现设备轻小型化：
（l）根据电路功能和制造工艺进行合理的电路划分，所有电路均采用平面集成一体化设计，包括发阻滤波器、毫米波滤波器，极大地减小了设备的体积重量。
（2）本振电路为了满足小型化设计要求，采用低相噪集成数字锁相芯片、锁相再倍频到所需频率，简化了电路设计；采用成熟的薄膜滤波器实现倍频滤波，避免了体积较大的腔体滤波器，有利于设备的小型化。
（3）设备中的有源电路优选低功耗的器件，同时，提高DC/DC模块的效率。通过这些措施，降低设备的总功耗。
通过以上措施，最终设备的体积为130mm×90rnm×30mm（不包括天线馈电网络），重量750 克，功耗34W。
2.3 功放线性化技术
毫米波固态功率芯片的三阶互调指标，不能满足本设备所要求的技术指标要求。若采用输出功率更大的芯片或将多个芯片进行功率合成提高输出功率，再进一步回退功率，可满足三阶互调指标要求，但势必会成倍增加体积重量功耗，这显然不符合设备低功耗、轻小型化的设计原则；而采用功放线性化技术，只需略微增加一点功耗，则可较大改善功放线性度，尤其是三阶互调的指标。
线性化技术的方案有很多，如：功率回退法，预失真、负反馈、前馈等。在本设备研制过程中，综合可实现性、成本、功耗等多方面因素考虑，选用了预失真的方法。它具有电路尺寸小稳定度高，并且能够同时达到高效率和低损耗，虽然它的校准精度不如前馈法和负反馈法，但它更稳定并且有着更宽的带宽。
对功放芯片采用了预失真之后，发射链路的三阶互调指标显著改善。未采用线性化技术时，功放三阶互调最差为-15dBc；采用线性化技术后，功放三阶互调最差为-22dBc，三阶互调改善了至少7dB以上，满足了系统指标要求。
2.4 热设计
由于设备要满足浸渍实验要求，因此必须采用水密。整个设备的平面集成一体化设计有利于水密设计。但是水密结构设计使得设备的散热能力下降，必须通过合理的散热措施保证设备连续工作的稳定可靠性。
功放芯片，特别是Ka 功放芯片，效率一般在15%以下，发热量大，面积小，发热密度高。温度过高将导致功放芯片性能严重下降，同时还会缩短使用寿命甚至损坏，因此功放芯片散热是热设计的重点。
为了缩短传热路径，增加热辐射面积，本设备采用直接把与功放器件对应的设备外壳部分加工成散热齿，并喷聚氨酯丙烯酸无光黑漆，以提高辐射能力。
采用这些措施后，收发信机实现了良好的散热，保证了设备在给定的温度范围内连续稳定工作。
3 实测性能
根据以上设计方案，研制出了一套设备。其测试结果如下：
上行频率：Ka频段，带宽1.6GHZ
下行频率：K频段，带宽1.6GHZ
中频频率：S频段
工作方式：连续波
发射机输出功率P-ldB：> 32.5dBm
发射机三阶互调：<-22dBc。
接收机噪声系数：<2.4dB（常温）
体积：130mm×90mm×90mm
重量：750g
功耗：34 W
[关键词]毫米波通信，Ka频段，收发信机
中图分类号：K658 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）22-0017-01
1 电路设计
收发信机主要由天线馈电网络、变频电路、本振源、监控和DC/DC 转换电路等组成，组成框图如（图l）所示。在（图l）中，中频信号经分路器和上变频电路变频至Ka波段，再经功放产生发射功率，通过天线馈电网络输出至天线；来自接收天线的信号，经天线馈电网络、发阻滤波器、低噪声放大和镜频滤波后，变频为中频信号，经分路器输出。
变频电路主要包括波导微带过渡、功率放大器、低噪声放大器、混频器、驱动放大器、射频滤波器、中频放大器等。末级功放采用单片集成固态功放，通过采取合理的散热措施，保证功放长期可靠工作。为达到良好的噪声系数，对波导微带探针过渡进行优化设计，其插入损耗可低于0.2dB。低噪声放大采用了3 级单片集成放大器，其噪声系数为1.5dB，总增益高于33dB，有效避免了后级电路对接收机噪声系数的影响。变频混频器采用谐波混频器，它可以实现混频分量中偶次组合波（包括本振和中频偶次谐波） 的良好抑制，一般可达60dB以上，Ka频段谐波混频器典型变频损耗为10dB，略大于基波混频器，但是相对于基波而言，可以大大降低毫米波本振電路设计的难度和成本，降低电路对本振抑制度的要求，减小设备体积功耗，提高了设备的可靠性。
收发分路器将主机通过两根电缆馈入的收、发复用信号用滤波器进行分离。其中，收发直流电源信号分离后分别送到收发DC/DC 变换电路，为其它模块提供稳定直流电压。监控电路包括超温监控和失锁监控，实现收发信机超温和失锁保护。
2 关键技术
2.1 天线馈电网络
天线馈电网络由圆一方波导过渡、正交模藕合器（OMT） 和发阻滤波器组成。
天线馈源圆极化器输入端的圆波导接口先通过圆一方波导过渡变换为方波导，方波导中收发信号极化正交，再通过波导分支型正交模耦合器（OMT）将收发信号分开。圆一方波导过渡采用渐变式结构，带宽可覆盖收发频段。实测OMT收发隔离可达32dB以上，收发支路损耗小于0.3dB。为了设备的轻小型化，发阻滤波器采用微带滤波器取代常用的波导滤波器，虽然较波导滤波器损耗略大，但是易于实现电路平面集成，有利于电路的小型化。微带滤波器长度为5mm×2.5mm，两个微带滤波器对发射信号的抑制可以达45dB。发阻滤波器仿真结果如（图2）所示。经过OMT和发阻滤波器的共同作用，收发隔离可达77dB。
2.2 轻小型化低功耗设计
在方案设计上，采用以下措施实现设备轻小型化：
（l）根据电路功能和制造工艺进行合理的电路划分，所有电路均采用平面集成一体化设计，包括发阻滤波器、毫米波滤波器，极大地减小了设备的体积重量。
（2）本振电路为了满足小型化设计要求，采用低相噪集成数字锁相芯片、锁相再倍频到所需频率，简化了电路设计；采用成熟的薄膜滤波器实现倍频滤波，避免了体积较大的腔体滤波器，有利于设备的小型化。
（3）设备中的有源电路优选低功耗的器件，同时，提高DC/DC模块的效率。通过这些措施，降低设备的总功耗。
通过以上措施，最终设备的体积为130mm×90rnm×30mm（不包括天线馈电网络），重量750 克，功耗34W。
2.3 功放线性化技术
毫米波固态功率芯片的三阶互调指标，不能满足本设备所要求的技术指标要求。若采用输出功率更大的芯片或将多个芯片进行功率合成提高输出功率，再进一步回退功率，可满足三阶互调指标要求，但势必会成倍增加体积重量功耗，这显然不符合设备低功耗、轻小型化的设计原则；而采用功放线性化技术，只需略微增加一点功耗，则可较大改善功放线性度，尤其是三阶互调的指标。
线性化技术的方案有很多，如：功率回退法，预失真、负反馈、前馈等。在本设备研制过程中，综合可实现性、成本、功耗等多方面因素考虑，选用了预失真的方法。它具有电路尺寸小稳定度高，并且能够同时达到高效率和低损耗，虽然它的校准精度不如前馈法和负反馈法，但它更稳定并且有着更宽的带宽。
对功放芯片采用了预失真之后，发射链路的三阶互调指标显著改善。未采用线性化技术时，功放三阶互调最差为-15dBc；采用线性化技术后，功放三阶互调最差为-22dBc，三阶互调改善了至少7dB以上，满足了系统指标要求。
2.4 热设计
由于设备要满足浸渍实验要求，因此必须采用水密。整个设备的平面集成一体化设计有利于水密设计。但是水密结构设计使得设备的散热能力下降，必须通过合理的散热措施保证设备连续工作的稳定可靠性。
功放芯片，特别是Ka 功放芯片，效率一般在15%以下，发热量大，面积小，发热密度高。温度过高将导致功放芯片性能严重下降，同时还会缩短使用寿命甚至损坏，因此功放芯片散热是热设计的重点。
为了缩短传热路径，增加热辐射面积，本设备采用直接把与功放器件对应的设备外壳部分加工成散热齿，并喷聚氨酯丙烯酸无光黑漆，以提高辐射能力。
采用这些措施后，收发信机实现了良好的散热，保证了设备在给定的温度范围内连续稳定工作。
3 实测性能
根据以上设计方案，研制出了一套设备。其测试结果如下：
上行频率：Ka频段，带宽1.6GHZ
下行频率：K频段，带宽1.6GHZ
中频频率：S频段
工作方式：连续波
发射机输出功率P-ldB：> 32.5dBm
发射机三阶互调：<-22dBc。
接收机噪声系数：<2.4dB（常温）
体积：130mm×90mm×90mm
重量：750g
功耗：34 W