Dengan perkembangan berkelanjutan dari teknologi komunikasi radio dan teknologi informasi elektronik yang terintegrasi, persyaratan sistem untuk penerima gelombang mikro secara konstan semakin dalam menuju pita lebar, generalisasi dan miniaturisasi. Sebagai komponen inti penerima gelombang mikro, ujung depan penerima mengubah keluaran sinyal frekuensi radio oleh antena atau unit antarmuka antena menjadi sinyal frekuensi antara pita sempit yang diperlukan oleh pemroses sinyal. Ukuran dan kinerjanya secara langsung berkaitan dengan kemampuan penerima secara keseluruhan.
Saat ini, produk front-end penerima ultra-wideband domestik dibatasi oleh ukuran filter frekuensi rendah, frekuensi input RF serendah 0,4 GHz, dan frekuensi output frekuensi menengah sebagian besar dipilih di atas 1 GHz, atau hanya untuk rangkaian penguat filter sebelum konversi frekuensi Menjelaskan.
Mini-wideband penerima ujung depan yang dirancang dalam makalah ini mengadopsi teknologi paket mikro multi-chip yang matang dan sangat terintegrasi (Multi-Chip Micro-package, MCM), memilih filter multi-chip dan filter LC miniatur untuk memenuhi kinerja produk Di bawah premis persyaratan, ukuran produk sangat berkurang. Produk ini mencapai cakupan penuh pita frekuensi gelombang mikro 0,1 GHz ~ 18 GHz, mudah diintegrasikan ke dalam berbagai sistem deteksi gelombang mikro saluran tunggal / multi, dan memiliki berbagai prospek aplikasi.
1 Persyaratan teknis untuk menerima front end
Pita frekuensi kerja dari ujung depan penerima adalah 0,1 GHz ~ 18 GHz, penguatan tipikal adalah 35 dB, dan penguatan pita penuh berfluktuasi dalam ± 3 dB. Bagian depan penerima memerlukan penyaringan yang telah dipilih sebelumnya dan kemudian amplifikasi, dan angka kebisingan dalam kisaran suhu penuh harus 22 dB. Frekuensi tengah dari frekuensi antara keluaran adalah 140 MHz, dengan opsi bandwidth 80 MHz dan 2 MHz, dan persyaratan koefisien persegi panjang 50: 3 yang sesuai adalah 1.75 dan 2.5, masing-masing. Output P-110 dBm, batas output 15 dBm, IF penekanan dan penekanan frekuensi gambar keduanya 70 dBc. Persyaratan VSWR untuk port masukan RF dan keluaran IF adalah 2.5: 1.
2 Desain dan implementasi penerimaan front end
2.1 Desain sirkuit
Diagram blok prinsip dari sirkuit ujung depan penerima ditunjukkan pada Gambar 1, yang dapat dibagi menjadi dua bagian: bagian frekuensi radio dan bagian pencampuran frekuensi.
Bagian RF dari ujung depan penerima mengadopsi tata letak sirkuit dari penyaringan yang telah dipilih sebelumnya dan kemudian diperkuat. Tahap input dari bagian frekuensi radio adalah kontrol penguatan manual (Kontrol Penguatan Manual, MGC) yang dikontrol secara numerik attenuator, yang digunakan untuk kontrol penguatan ketika sinyal besar, dan kemudian dibagi menjadi dua tahap 0,1 GHz ~ 6,2 GHz dan 6,2 GHz ~ 18 GHz melalui sakelar lemparan ganda kutub tunggal . 0,1 GHz ~ 6,2 GHz dibagi menjadi 10 filter untuk penyaringan pra-pemilihan, dan tiga segmen digunakan untuk penguat kebisingan rendah (Penguat Kebisingan Rendah, LNA) untuk amplifikasi; 6,2 GHz ~ 18 GHz dibagi menjadi 4 filter untuk pemilihan awal dan penyaringan dan LNA digunakan memperbesar. Ada total 14 pita frekuensi yang telah dipilih sebelumnya. Kecuali untuk pita pertama dan kedua, pita frekuensi yang tersisa semuanya merupakan sub-multiplied filtering untuk meningkatkan kemampuan anti-interferensi sistem, dan tumpang tindih pita frekuensi yang memadai disediakan di antara pita frekuensi yang berdekatan untuk memastikan integritas sinyal. Pembagian pita frekuensi tertentu yang telah dipilih sebelumnya ditunjukkan pada Tabel 1.
Sirkuit pencampuran mengadopsi arsitektur penerima superheterodyne, dan mengubah sinyal dari 0,1 GHz menjadi 18 GHz menjadi sinyal IF dengan frekuensi pusat 140 MHz melalui skema tiga konversi. Pada tahap pertama pencampuran, sinyal input diubah ke IF1 tinggi / rendah sesuai dengan pita frekuensi: 0,1 GHz ~ pita frekuensi 6,2 GHz konversi naik menjadi 8,2 GHz, konversi pita frekuensi 6,2 GHz ~ 18 GHz ke bawah ke 4,2 GHz. Dengan skema konversi frekuensi ini, sinyal osilator lokal level pertama (Local Oscillator, LO) hanya perlu mencakup 8,3 GHz hingga 19,7 GHz, yang dapat mengurangi kesulitan sintesis frekuensi. Dua jenis IF1 dipilih oleh sakelar, keduanya dikonversi ke bawah dengan LO2 ke IF2 dengan frekuensi 1,2 GHz selama pencampuran kedua, dan akhirnya dikonversi ke IF3 dengan frekuensi 140 MHz melalui pencampuran ketiga dan LO3, dan menggunakan dua bandwidth yang berbeda Setelah memilih bandwidth filter, output dikirim ke sistem pemrosesan sinyal.
2.2 Analisis indikator kunci
Untuk sistem penerima pita lebar, sulit untuk mencapai indikator teknis seperti kerataan penguatan pita frekuensi penuh, penekanan frekuensi tengah / cermin, dan penindasan gangguan gabungan, yang secara langsung memengaruhi kinerja sistem. Angka kebisingan itu sendiri juga merupakan indikator kunci dari sistem penerima, tetapi dalam skenario aplikasi ujung depan penerima, ujung depan dihubungkan dengan unit antarmuka antena kebisingan rendah dengan penguatan tertentu, dan ujung depan penerima diharuskan untuk melakukan penyaringan pra-pemilihan terlebih dahulu, sehingga angka kebisingan lebih rendah. .
2.2.1 Analisis kerataan gain dari ujung depan penerima
Frekuensi front-end penerima mencakup 0,1 GHz ~ 18 GHz. Untuk memastikan bahwa penguatan pita penuh memenuhi persyaratan kerataan ± 3 dB, desain yang ditargetkan dilakukan dalam tiga aspek berikut:
(1) Sirkuit pra-pencampuran dibagi menjadi 4 bagian sesuai dengan frekuensi, setiap bagian menggunakan LNA independen, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, indeks kerataan gain pita penuh diuraikan menjadi 4 indeks kerataan gain sub-bagian yang relatif mudah dicapai .
(2) Pilih komponen dengan kinerja broadband yang baik, dan pilih equalizer atau amplifier dengan pemerataannya sendiri untuk mengimbangi kerataan. Pada saat yang sama, atenuasi kompensasi suhu dicadangkan pada tautan untuk mengkompensasi fluktuasi penguatan pada suhu tinggi dan rendah.
(3) Cadangan level MGC pada tautan amplifikasi IF3 setelah konversi frekuensi ketiga, dan kompensasi fluktuasi penguatan di bawah frekuensi radio yang berbeda melalui kompensasi penguatan kontrol numerik.
Melalui desain di atas, dimungkinkan untuk memastikan bahwa fluktuasi penguatan dalam pita frekuensi penuh dan kisaran suhu penuh berada dalam ± 3 dB.
2.2.2 Analisis Penolakan Frekuensi dalam Menerima Front End / Frekuensi Gambar
Penolakan frekuensi gambar / menengah dari sistem penerima umumnya harus setidaknya 10 dB lebih besar dari rentang dinamis sistem. Ada dua poin utama dalam desain penekanan frekuensi dari frekuensi menengah / gambar: (1) Hitung dengan benar frekuensi menengah / gambar dari setiap level sistem penerima; (2) Rencanakan secara wajar penindasan out-of-band dari setiap level filter sesuai dengan frekuensi.
Bagian depan penerima yang dirancang dalam makalah ini pertama-tama menghitung frekuensi menengah pertama, kedua dan ketiga dan frekuensi gambar sesuai dengan skema konversi frekuensi, termasuk frekuensi yang secara tidak langsung dapat menghasilkan sinyal frekuensi gambar / menengah kedua atau ketiga, dan kemudian menghitung Indeks penolakan yang dihitung dari berbagai frekuensi dialokasikan ke filter band-pass dan filter low-pass di semua level, dan margin yang cukup dicadangkan selama desain untuk memastikan bahwa penolakan frekuensi antara / cermin akhir adalah 70 dBc Persyaratan indikator.
2.2.3 Simulasi ADS menerima interferensi gabungan front-end
Frekuensi gambar / tengah yang disebutkan di bagian sebelumnya adalah sumber interferensi yang paling jelas, tetapi dalam penggunaan sistem penerima broadband, mungkin juga ada berbagai sumber interferensi lain yang tidak mudah ditemukan selama desain, seperti antara berbagai level sinyal LO. Kombinasi frekuensi, atau kombinasi sinyal RF dan sinyal LO dari frekuensi tertentu, secara kolektif disebut sebagai gangguan gabungan. Saat mendesain front-end penerima, untuk menghilangkan pengaruh gangguan gabungan dan merealisasikan penindasan gangguan gabungan, pertama-tama perlu ditentukan gangguan gabungan mana yang ada. Setelah menyelesaikan desain sirkuit dan pemilihan komponen, artikel ini menggunakan perangkat lunak simulasi AdvancdDesign System (ADS) untuk simulasi S-parameter tautan penuh untuk menganalisis dan menghilangkan gangguan gabungan. Model simulasi link ditunjukkan pada Gambar 2.
Model ini menggantikan data terukur S21 dari komponen utama (filter, amplifier, dll.) Di ujung depan penerima ke dalam simulasi untuk mensimulasikan mode kerja sistem penerima, menggunakan LO tetap untuk mengubah RF dan RF tetap untuk mengubah LO untuk menemukan titik interferensi. Dengan cara ini, sebelum rangkaian diimplementasikan, beberapa gabungan gangguan yang sulit ditemukan dalam desain skema ditempatkan, dan skema rangkaian dan parameter komponen dioptimalkan untuk menghilangkannya.
Penindasan interferensi gabungan yang dikonfirmasi oleh metode simulasi berada dalam 10 dB dari produk sebenarnya, yang dapat secara akurat memandu desain dan implementasi ujung depan penerima. Pada saat yang sama, model ini juga digunakan untuk desain simulasi kerataan penguatan dari ujung depan penerima.
2.3 Desain miniatur dari ujung depan penerima
Dalam hal struktur, sisi depan dan belakang diatur, depan adalah penghubung RF, dan belakang adalah catu daya dan rangkaian kontrol. Dengan merencanakan kedalaman rongga di kedua sisi secara tepat, ketebalan total modul dikontrol pada 9,5 mm, yang memudahkan integrasi sistem; SMP digunakan untuk konektor RF Jenis konektor koaksial frekuensi radio push-in ultra-kecil, konektor frekuensi rendah menggunakan konektor listrik persegi panjang J63A, yang berukuran kecil, ringan, dan unggul dalam ketahanan getaran.
Untuk tautan frekuensi radio, solusi chip lengkap dipilih, dan koneksi antara perangkat chip dan jalur mikrostrip diwujudkan melalui proses MCM. Rongga RF mengadopsi desain penutup dua lapis. Penutup bagian dalam dipasang dengan klem sekrup countersink untuk meningkatkan isolasi antara saluran transmisi dan memastikan bahwa rongga tidak menghasilkan resonansi yang dapat mempengaruhi kinerja; penutup luar menggunakan celah laser Pengelasan untuk memastikan sesak udara bagian frekuensi radio.
Miniaturisasi filter adalah fokus dan kesulitan UWB menerima ujung depan. Pada ujung depan penerima yang dirancang dalam makalah ini, 3 chip filter sakelar MMIC dipilih sebagai filter pemilihan awal dalam pita frekuensi 0,8 GHz ~ 18 GHz.Setiap chip filter sakelar mengintegrasikan dua sakelar dan beberapa filter, dan 3 chip mengintegrasikan total 10 filter. Untuk pemfilteran yang telah dipilih sebelumnya dalam pita frekuensi 0,1 GHz ~ 0,8 GHz yang tidak dapat ditutup oleh chip filter switching sementara, tiga filter LC miniatur dipilih untuk mencapai hal ini. Filter LC menggunakan kapasitor chip yang disesuaikan dan induktansi belitan pada 9 mm × 5 Kinerja filter LC konvensional diwujudkan dalam volume mm × 2 mm. Filter bandpass IF2 dan bandwidth 80 MHz IF3 juga menggunakan bentuk filter LC ini. Filter lain menggunakan filter band-pass MEMS, filter MMIC high / low-pass dan filter gelombang akustik permukaan pita sempit.
3 Menerima hasil tes fisik dan indeks front-end
Mini-wideband penerima ujung depan ditunjukkan pada Gambar 3 dan Gambar 4. Input RF, port output IF, dan port J63A frekuensi rendah dari ujung depan penerima terletak di sisi sempit kiri Gambar 3, dan port input LO 3-arah terletak di sisi kanan sempit. Tata letak antarmuka yang disebutkan di atas serta sisi kiri dan kanan memfasilitasi integrasi sistem. Antarmuka di sisi atas dan bawah adalah port debugging, yang dapat dihubungkan ke sirkuit sebelum mixer tahap pertama, yang nyaman untuk men-debug kerataan sirkuit broadband. Setelah debugging, itu diputuskan dari sirkuit internal.
Karena ujung depan penerima memiliki pita frekuensi kerja yang lebar dan mencakup beberapa pita oktaf, saat pengujian, pertama-tama gunakan penganalisis jaringan vektor untuk menguji tautan melalui sebelum mencampur dari port debug, debug dan tentukan jumlah kompensasi kerataan gain dari setiap pita frekuensi , Sebagian hasil pengujian pita frekuensi ditunjukkan pada Gambar 5.
Alihkan jalur dari port debugging ke bagian konversi frekuensi, dan gunakan beberapa sumber sinyal dan penganalisis spektrum untuk menguji berbagai indikator teknis dari tautan lengkap setelah mendapatkan kompensasi. Hasil pengujian ditunjukkan pada Tabel 2.
Gain front-end penerima dikompensasi oleh attenuator yang dikontrol secara numerik, yang sangat mengurangi kesulitan debugging indeks kerataan gain full-band dari modul ultra-wideband; melalui desain yang wajar, debugging bebas gelombang port berdiri direalisasikan; indikator lainnya didasarkan pada hasil debugging dari bagian pertama , Tentukan parameter komponen dari setiap titik debugging dari produk tindak lanjut. Setelah produksi massal yang sukses, telah diverifikasi bahwa front-end penerima memiliki kemampuan bebas debugging, dan hanya penguji atau sistem pengujian otomatis yang diperlukan untuk menguji indikator, yang memiliki kemampuan manufaktur yang baik.
4. Kesimpulan
Makalah ini merancang ujung depan penerima ultra-wideband miniatur, yang mengintegrasikan berbagai perangkat MMIC dan filter miniatur. Frekuensi operasi mencakup keseluruhan 0,1 GHz ~ 18 GHz, dan ukurannya hanya 119 mm × 61 mm × 9,5 mm. Digunakan untuk proyek pengintaian komunikasi / gelombang mikro. Modul ini mengadopsi metode kompensasi penguatan kontrol numerik, yang memecahkan kesulitan debugging kerataan gain modul ultra-wideband, menyadari bebas debugging dari produksi massal, sangat meningkatkan efisiensi produksi dan mengurangi biaya produksi. Ujung depan penerima ultra-lebar pita lebar dan miniatur telah berhasil diterapkan pada beberapa sistem deteksi sinyal komunikasi gelombang mikro pita lebar ultra, yang sepenuhnya memverifikasi keandalan desain, dan akan digunakan secara luas di berbagai sistem deteksi pita lebar ultra di masa mendatang.
referensi
Shi Chao, Qiao Zhaojie, Xu Liang, dkk. Desain saluran emisi miniatur S-band. Application of Electronic Technology, 2018, 44 (7): 38-41.
Liu Boyuan, Xu Jun. Desain saluran pencampuran X-band berdasarkan chip filter MEMS. Aplikasi Teknologi Elektronik, 2017, 43 (6): 52-55, 59.
Yu Gaoqian. Penelitian tentang miniaturisasi radar ultra-wideband 0,4 ~ 18 GHz yang menerima tahap depan. Chengdu: Universitas Sains dan Teknologi Elektronik China, 2015.
Xun Min. Desain dan Implementasi Ultra-wideband Receiving Front End. Teknologi Radar Kontrol Kebakaran, 2017 (3): 58-61.
Zhang Yuecheng. Desain front-end penerimaan gelombang mikro ultra-wideband miniatur baru.Teknologi Elektronik, 2017 (5): 107-110.
Qi Jiaguo. Analisis respons palsu berdasarkan sirkuit fungsional penerima frekuensi radio pita lebar. Teknik Radio, 2016, 46 (7): 84-88.
Wei Xianju Peran ADS dalam demonstrasi skema komponen TR Modern Electronic Technology, 2008 (13): 55-60.
Yan Hong Desain simulasi semi-fisik saluran frekuensi radio terintegrasi.Teknologi Telekomunikasi, 2010 (7): 145-148.
informasi penulis:
Tang Tingyu
(Institut Penelitian Teknologi Elektronik Barat Daya China, Chengdu 610036, Sichuan)
- "Academic Paper" Metode pemantauan on-line dari kapasitansi keluaran sirkuit Buck ESR berdasarkan mode pemicu
- Sistem Hongmeng keluar pada 22 September? Syuting film mikro Huawei P30 "Wukong" mengungkap tanggal misterius
- Mengapa Tentara Sandal Anak Miskin bisa melawan Timur Tengah yang kuat? Malu kehilangan pasukan pemerintah, mereka hanya bisa menyalahkan PBB
- Perusahaan swasta membuat keajaiban: sebuah roket meluncurkan 60 satelit dengan biaya tunggal hanya 500.000 dolar AS
- "Makalah akademik" Solusi terbaik untuk kriptografi visual yang memperhitungkan ketersediaan dan keandalan
- Dua tentara paling tidak biasa di dunia: yang satu beternak sapi dan satu lagi memiliki perusahaan paling menguntungkan di negeri ini