-基于VPX的多模式多频段微波收发组件设计与实现

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摘要:微波收发组件是通信系统的重要组成部分,设计了基于VPX技术的多模式多频段微波收发组件,利用VPX标准总线结构实现了普及和标准化。组件用于多种模式多频段软件无线电通信系统,系统用于无线传输高清视频图像。该元件噪声系数:1.8 dB、ACPR: -35DBC、发射功率和各谐波抑制等均符合指标要求,满足通信系统的实际要求。

关键字:VPX;多频段收发组件软件无线电

VPX总线是基于VME总线的下一代高速串行总线标准,适用于结构要求复杂、数据速率高的应用环境,为多核多中央处理器(CPU)计算和数字信号处理(DSP)数据处理提供高性能。

Array,现场可编程阵列逻辑)是国防和航空领域模块化处理平台的发展趋势[1]。基于此,本文将

计算了多模式多波段微波收发组件,可在多种模式下使用。

频段宽带软件无线通信系统。接收噪声系数和发射

电力等都达到指标,满足通信系统的工作要求。

1微波收发组件的设计与实现

1.1组件方案设计

微波发送和接收组件具有单独的发送和接收通道,用于过滤、混合、放大射频信号、转换模块[2]。头发通道日志

文字I/Q数据执行数字模拟转换,过滤和放大射频信号。

微波收发器组件是串行快速I/O(SRIO),串行高速

I/O)接口通过以下方式与图像信号处理组件进行I/Q数据交互

SubMiniature version A(SMA)介面会与天线和倍增器一起进入

射频信号交互。

1.2指标要求

操作频率:300-400 MHz、1 400-1 500 MHz、

1 700-1 800 MHz。

自动增益调整范围 60 dB(不包括AD9371内部的增益调整)

噪声系数: 1.8 dB。

防燃烧功能:37 dBm电源输入5分钟,接收器完好无损。

输出平均功率: 8瓦(300-400 MHz), 4瓦或更高

(1 400-1 500 MHz)、 1 W(1 700-1 800 MHz)。

ACPR: -35 dBc(中心频率10 MHz偏移,8 MHz)

信号带宽)。

抑制二次谐波:40 DBC;抑制三至五次谐波:

70 DBC;理想;理想。其他谐波: 60 dBc。

发送和接收交换时间: 3.0 S

1.3组件硬件设计

微波收发组件由大信号板和小信号板组成,通过板之间的连接器垂直连接,板之间隔离着金属屏蔽腔。跟随

使用3U标准VPX卡体系结构设计的VPX标准,如图1所示。

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在发射模式下,小信号板主要用于将SRIO输入波形数据转换为数字模拟转换,转换后的零中频信号通过正交相变直接输出到相应的射频频段,通过射频前端放大功率后输出。

在接收模式下,外部输出的小信号首先通过大信号板的低噪声发射进行放大,使接收的小信号的信噪比在后期相关处理后不再下降。放大的信号进入小信号板,分别经过向下变换,经过中频滤波器进入AD。

用于零中频向下转换和广告采样的装置。通过采样的数据

SRIO信道被发送到图像信号处理组件以进行调整分析。

1.3.1小型信号板设计

小信号板原理框图如图2所示,分为整个发送和接收路径。发射采用零中频方案。SRIO输入的波形数据通过FPGA转换后,使用AD9371进行数字模拟转换,然后通过巴伦和开关进入驱动放大器,信号放大后进入滤波器,最后通过单刀开关通过垂直互连射频入口进入大信号板。

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接收使用超高速接收器电路方案,通过两次变异将接收到的300-400 MHz和1 400-1 800 MHz射频信号改为零中频基带信号(IQ信号),进行后续处理。300-

400 MHz射频信号扩大到低噪声放电、数字可调衰减器、调节滤波器和第一混频器RFFC2071。该混频器本振频率为1 130-1 230 MHz扫描频率,信号频率变为830 MHz

固定if(if);然后,通过中频滤波器放大,进入830 MHz的正交调谐器AD9371,以便通过开关控制获得不同的零中频基带信号(IQ信号)。

中频带宽的输出。通过耦合器和检波器检测通道功率电平,完成自动增益控制。

同样,高频1 400-1 800 MHz无线电信号通过低噪声放大进入数字可调衰减器。数字可调衰减器可以根据信号大小调整信号强度,从而增加接收炉的动态范围。然后,信号通过调谐滤波器放大到第一混频器。

RFFC2071,该混频器本振频率为2 230-2 630 MHz扫描频率,信号频率为830 MHz固定中间频率。然后,通过IF (IF)滤波器放大,进入正交调谐器AD9371。该正交解调器本振频率为830 MHz,获得零中频基带信号(I Q信号),通过开关控制实现各种中频带宽的输出。

最后,基带信号通过AD9371的JESD204B接口输出,通过FPGA转换成SRIO高速接口,与VPX背板上的图像信号处理组件进行数据交互,完成视频图像信号分析。

1.3.2大型信号板设计

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小信号板的信号通过板间垂直无线连接器进入大信号板,SP4T射频开关根据频段和功能分别切换到不同的路径。如图3所示,大信号板原理框通常分为发送和接收路径。

发射信号分别进入高频或低频大信号放大器,放大器放大后进入LC滤波器进行滤波,主要对各波形分量进行滤波。对于低频放大器,为了满足8 dB峰对平均信号传输要求,8 W输出的功率必须使用1 dB压缩点100 W。

LDMOS管的设计和保证;对于高频放大器,为了满足8 dB峰值对平均信号传输要求,4瓦输出功率必须为1 dB。

压缩点为40 W的LDMOS管保证了设计。该功率输出时选择的高频和低频放大器的ACPR指标均低于-40 dBc,可以满足设计指标要求。

接收信号通过SP4T射频开关通过限制器,限制器主要可以保护接收电路,削弱高功率接收信号,以满足不燃烧的能力[3]。通过限制器后,进入低噪音放大,进入小信号板。

信号通过前端微带耦合器耦合到小信号板。

通过AD9371观察端口(ORX)实时监控天线端口信号。

1.3.3组件PCB设计

微波收发机由数字电路和模拟电路两部分组成。根据不同的电路类型分离它们,便于最终分割,数字电路下紧贴数字,模拟电路下紧贴模拟[4]。这样有助于信号的回流和两个地平面之间的稳定。

布置配线时行走困难,因此需要灵活地调整设备位置,如大信号板无线电开关。例如,大信号板无线电开关需要一定程度的旋转才能放置线,这样可以节省空间,使线更加平坦。

微波收发组件的内部屏蔽设计、数字和模拟信号、大信号和小信号用金属隔板隔离,防止信号内部相互混杂,从而影响功能性能[5]。

2结构设计

为了满足产品的设计要求,满足产品性能、重量和屏蔽要求,外壳采用铝制造。使用标准3U VPX冷却结构,所有尺寸都是根据系统要求大小设计的,在设计印刷版时,为了满足尺寸要求,请充分考虑零件的布局布线。

由于3U VPX模块的某些部件(主要是集成电路和电源设备)的热功耗较高,因此3U VPX模块的屏蔽盒结构是专门设计的,用于凸起设计热功耗较大的位置,并保持金属凸起和部件表面之间的间隙,如图4所示。

0.8 mm,组装之前,在零件表面上复盖一层厚度为1 mm的层

的导热硅组装后压缩导热硅,使屏蔽盒、导热硅、部件配合良好,热接触良好。

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3U VPX模块两侧的锁条采用5级导热专用锁,表面平整度达到0.1,最大限度地扩大与机箱导轨的有效接触区域,减少热阻。另一方面,锁杆表面应用黑色阳极化,可以有效地将模块其他区域的热量吸引到锁杆上,通过导轨传递到整个机箱。

3组件实施和测试结果

PCB板加工生产、组件组装、矢量网络分析仪、频谱分析仪、信号发生器分别进行测试,测试结果为ACPR: -35 dBc、噪声系数: 1.8 dB、

收发切换时间: 3.0S、各谐波抑制和发射功率、防火能力均符合指标要求,满足通信系统的实际要求。

4结论

该设计主要研究基于VPX的多模式多频段微波收发组件,通过事前调查和系统分析进行方案设计,验证方案的可行性,在保证组件性能的同时实现泛化。根据指标要求,在指定频带内,组件满足对接收噪声系数、ACPR、发射功率、发送和接收切换时间、谐波抑制的要求,具有创新性和实用意义。

参考文献:

[1]安晓军。基于VPX的高速频率信号接收处理平台设计[J]。计算机和网络,2021(7):44-46。

[2]赵王北斗导航定时终端模块的设计与实现[M]。成都:电子科技大学出版社,2020:16-23。

[3]吴哲。基于SIP的射频宽带收发前端关键技术研究[D]。成都:电子技术大学,2018年。

[4]张震、范艺、罗俊。s波段平衡限制低噪声放大器设计[J]。微电子学,2012,42(4):463-467。

[5] Pozar D M .微波工程[M]。张兆基、周乐柱、吴德明等。北京:电子工业出版社,2007年。

(注:本文转载于《电子产品世界》杂志2022年8月刊)

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