1、密級:版次:01編號:S波段射頻接收前端方案設(shè)計報告共15頁成都xxxx有限公司2014年11月S波段射頻接收前端方案設(shè)計報告擬制年_月_日審核_年_月日批準(zhǔn)_年_月日TOC o 1-5 h z1概述12設(shè)計依據(jù)13主要技術(shù)指標(biāo)和使用要求1 HYPERLINK l bookmark10 3.1射頻技術(shù)指標(biāo)1 HYPERLINK l bookmark12 3.2使用要求2 HYPERLINK l bookmark14 4方案設(shè)計2 HYPERLINK l bookmark16 4.1設(shè)計指導(dǎo)思想2 HYPERLINK l bookmark18 4.2接收通道方案24.3本振模塊方案35指標(biāo)分析3

2、5.1接收通道3 HYPERLINK l bookmark34 5.2本振模塊8 HYPERLINK l bookmark36 5.3工作條件9 HYPERLINK l bookmark38 5.4電磁兼容性設(shè)計9 HYPERLINK l bookmark40 5.5結(jié)構(gòu)設(shè)計方案105.6維修性設(shè)計116通信協(xié)議11 HYPERLINK l bookmark46 6.1通信接口形式簡介12 HYPERLINK l bookmark48 6.2通信接口時序介紹12 HYPERLINK l bookmark50 6.3時序及接口物理參數(shù)要求13 HYPERLINK l bookmark52 6.4

3、控制13 HYPERLINK l bookmark54 6.5狀態(tài)查詢13 HYPERLINK l bookmark56 6.6數(shù)據(jù)位的定義14 HYPERLINK l bookmark60 6.7接收組件上電初始狀態(tài)15 該S波段射頻接收前端分別包括接收通道、本振模塊等二個功能單元。S波段射頻接收前端將兩路來自天線的2450-2500MHz射頻信號經(jīng)過限幅放大、濾波、功率合成后，再將其變換到70MHz中頻輸出信號，而其中所需的本振為2520-2570MHZ。其總體方案框圖如圖1：圖1S波段射頻接收前端總體框圖設(shè)計依據(jù)設(shè)計依據(jù)來自于“S波段射頻接收前端研制任務(wù)書”主要技術(shù)指標(biāo)和使用要求射頻技術(shù)

4、指標(biāo)射頻輸入頻段：S波段；頻點間隔：5MHz；輸入端口數(shù)：2；射頻輸入帶寬：50MHz(2450MHz2500MHz)；3.1.5接收噪聲系數(shù)：W5dB；接收動態(tài)：-105-20dBm；AGC響應(yīng)時間：WO.lms；本振要求：頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于土2ppm（全溫）；相噪：W-80dBclKHz,W-90dBc10KHz,W-105dBc100KHz；本振鎖定信號輸出給FPGA（LVTTL高電平表示鎖定）;3.1.9射頻帶外抑制：對2475150MHz外的抑制不小于55dB；3.1.10輸入不損壞電平：$15dBm（不作測試要求）；電壓駐波比：W1.8（50Q）；鏡頻抑制：$40dBc；3.1.13

5、中頻頻率：70MHz500Hz，留有70MHz中頻測試專用口（SMA-K,中頻測試口信號與中頻信號特性一致，隔離度$20dB）；3.1.14中頻信號輸出動態(tài)范圍：-200dBm；3.1.15中頻帶寬：3dB帶寬5MHz；3.1.16中頻通帶內(nèi)雜散：W-75dBm；3.1.17中頻通帶外雜散：W-65dBm；3.1.18中頻帶內(nèi)平坦度：WldB；3.1.19中頻帶外抑制：$40dBc10MHz,50dBc15MHz；使用要求工作條件a）輸入電壓：V=5V10%；b）工作電流：W1500mA；c）工作溫度范圍：-45C+70C；d）貯存溫度范圍：-55C+85C；4方案設(shè)計設(shè)計指導(dǎo)思想該S波段射頻

6、接收前端對鏡頻抑制、工藝及電壓駐波比等指標(biāo)提出了較高的要求，本系統(tǒng)設(shè)計本著模塊化設(shè)計原則，將系統(tǒng)分成介質(zhì)濾波器、低噪放模塊、射頻聲表濾波器、低噪聲放大器、功率合成器、射頻聲表濾波器、本振模塊、中頻濾波器、中頻模塊、電源模塊等單元，單元指標(biāo)細(xì)分測試，有利于系統(tǒng)指標(biāo)調(diào)試及控制。本電路采用四層PCB電路板，杜絕飛線，電路牢靠；各功能模塊隔離，防止射頻信號相互串?dāng)_。接收通道方案_SOHHzIllpprn4.3HP3i23cIBmNFdOdE：Gi-7dE：D：il:25a：i-2570圖二通道方案原理框圖本振模塊方案圖三本振模塊方案55.1指標(biāo)分析接收通道輸入頻率從天線輸入的2450-2500MHz頻

7、率為方案中射頻濾波器、放大器和混頻器提供了工作頻率。為保證可靠性，射頻濾波器選用中心頻率為2475MHz的聲表面波濾波器。放大器的正常工作頻帶需要包含2450-2500MHZ。混頻器的射頻輸入為2450-2500MHz，如果要求中頻輸出為70MHz，則混頻器的本振信號為2520-2570MHz。噪聲系數(shù)系統(tǒng)噪聲系數(shù)可以由級聯(lián)系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)公式計算：F-1F-1F-1F=F+2+3+.+n工iGGGGGG11212n-1從以上公式可以看出，如果第一級LNA的增益足夠大，則整機(jī)的噪聲系數(shù)基本取決于第一級LNA的噪聲系數(shù)。一中頻選用設(shè)計的噪聲系數(shù)僅為0.924的高增益LNA,其增益為15dB，駐波

8、低至1.2，因此整機(jī)的噪聲系數(shù)完全可滿足NFW5dB的指標(biāo)。鏈路增益及噪聲仿真參數(shù)如下圖:Stage1Stage2Stage3Stage4Stage5Stage6Stage7Stage8Stage9Stage10Stage11Stage12BPFJN-4-rSAW事二-SAWLPf-苕-專-SAWA-字二SAWPowerGain(dB)|-2.515-3.22132-8-0.822-7.33535-7.3NoiseFigure(dB)|2.50.923.22廠0.82.87.36.26.27.3PowerGain:|95.7|dBINoiseFigure:|37|dB圖四鏈路增益及噪聲仿真參數(shù)

9、圖接收動態(tài)（-105-20dBm）本方案設(shè)計中，使用了AGC（自動增益放大器），其增益范圍為-2.542.5dB,兩級AGC級聯(lián)后增益最大可達(dá)70dB，由圖各級增益計算后可以知道，-105dBm的射頻信號進(jìn)入鏈路中，輸出功率可達(dá)-9.3dBm；當(dāng)-20dBm的射頻信號進(jìn)入鏈路中,AGC會降低增益，使輸出保持為-1.7dBm（如圖五），均滿足指標(biāo)要求。7I-50-40-30-20-10010PIN-dBm(re20011)Figure9.LevelingAccuracyoftheAGCFunction圖五AGC增益特性及鏈路增益特性AGC響應(yīng)時間本方案中采取的AGC芯片一級響應(yīng)時間約為10us；

10、兩級為20us；滿足指標(biāo)要求。射頻帶外抑制前級介質(zhì)濾波器對2475150MHz外的抑制大于40dB,聲表面濾波器對2475150MHz外的抑制大于20dB，計算可知該方案對2475150MHz外的抑制大于60dB,滿足指標(biāo)要求。輸入不損壞電平本方案輸入采用限幅器,可以限制輸入射頻信號的幅度。電壓駐波比由于指標(biāo)對電壓駐波比要求高,對輸入電壓駐波比的影響主要是第一級濾波器和第二級放大器的駐波性能。本方案第一級采用電壓駐波比小于1.5的介質(zhì)濾波器；第二級設(shè)計低噪放駐波小于1.2,低噪聲放大器設(shè)計的一個方案是選取集成的低噪放芯片。在增益、噪聲系數(shù)等指標(biāo)上,集成芯片低噪聲比分立元件低噪放有無可比擬的優(yōu)勢

11、；但由于集成電路工藝的固有特點,芯片內(nèi)部一般很難精確做到50歐姆匹配,所以在輸入輸出駐波這一指標(biāo)上,集成芯片難以滿足模塊的指標(biāo)要求。即使使用外電路進(jìn)行50歐姆匹配,將輸入輸出駐波調(diào)試到比價滿意的結(jié)果也很困難。因此,我們決定使用分立元件搭建低噪聲放大器。對于低噪聲放大器的設(shè)計,一般情況下設(shè)計的目標(biāo)是最小的噪聲系數(shù)。但是由于最小噪聲系數(shù)和最大功率增益不能同時得到,所以需要在噪聲和增益之間做出折中考慮。選取合適的晶體管，利用ADS(AdvancedDesignSystem)軟件，對放大器的直流偏置電路進(jìn)行設(shè)計,對放大器的增益、噪聲系數(shù)和駐波進(jìn)行仿真優(yōu)化。仿真電路時,考慮了主要電路的焊盤的分布參數(shù)，金

12、屬孔化，不連續(xù)節(jié)點和電感電容元件的寄生效應(yīng)等。在保證增益和輸入輸出駐波的前提下，我們使用最小噪聲匹配，使放大器的噪聲系數(shù)盡可能小。其ADS電路仿真如下圖。圖七低噪放仿真結(jié)果圖由圖七的仿真結(jié)果可以看出，放大器的增益約為15dB，噪聲系數(shù)約為0.92dB,輸15-F7-心圖六低噪放ADS電路仿真圖freq,GHz012345678910freq,GHzCXIMAAS入駐波在1.1以下，輸出駐波在1.2以下，滿足低噪放模塊的駐波小于1.8的設(shè)計要求。方案中也設(shè)計了調(diào)試位，可以調(diào)駐波。鏡頻抑制該方案采用高本振，頻率范圍為2520MHz-2570MHz，鏡頻為2590MHz-2640MHz,介質(zhì)濾波器對

13、鏡頻2590MHz-2640MHz的抑制大于20dB,聲表面濾波器對鏡頻2590MHz-2640MHz的抑制大于30dB（如圖八），所以鏈路對鏡頻的抑制度優(yōu)于50dB,滿足指標(biāo)要求。圖八2475MHz聲表濾波器頻率特性中頻帶寬該方案采用中頻聲表濾波器3dB帶寬為5.6MHz，兩級級聯(lián)過后3dB帶寬大于5MHz，滿足指標(biāo)要求。中頻通帶內(nèi)雜散一般情況下帶內(nèi)雜散由于無法用濾波器濾除，只有依靠雜散低的本振、良好的頻率組合、適當(dāng)?shù)碾娖椒峙湟约敖Y(jié)合混頻器的特性對其進(jìn)行抑制，該方案中采用低雜散水平的本振芯片，及雜散抑制度高的混頻器，可以達(dá)到指標(biāo)要求。中頻通帶外雜散該方案使用兩級中頻濾波，對帶外雜散衰減可達(dá)l

14、OOdB,所以完全可以使帶外雜散小于-65dBm?；祛l過程中產(chǎn)生的組合雜散，各頻率分量的串?dāng)_也會由電源串?dāng)_和屏蔽不良產(chǎn)生，通過電源的泄漏，在電源處理上，準(zhǔn)備采用電源部分與微波部分分離的做法，并對電源進(jìn)行多重去耦，減小有源電路間的干擾和對微波信號的竄擾；而屏蔽不良可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，用雙重屏蔽、隔墻、扼流槽等措施來解決空間輻射，減小各級電路的空間干擾。中頻帶內(nèi)平坦度在滿足通道輸出電平的前提下，細(xì)致設(shè)計通道中各級放大器輸出電平，從而合理分配通道增益；該中頻帶寬$5MHz，該帶寬較窄，中頻聲表濾波器能實現(xiàn)帶內(nèi)增益平坦度WldB的指標(biāo)要求.中頻帶外抑制該方案采用中頻聲表濾波器對7010MHz外信號抑制均

15、大于40dB,7015MHz外信號抑制均大于50dB，滿足指標(biāo)要求。1Mar2DD423:13:31圖九70MHz聲表濾波器頻率特性本振模塊S波段射頻接收前端本振相位噪聲指標(biāo)如下：表l相位噪聲指標(biāo)要求序號頻率相位噪聲11kHz-80dBc/Hz210kHz-90dBc/Hz3100kHz:naI-忖spurssh:i.ririFrequency(Hz)圖十本振相位噪聲PhaseNoiseTableFreqTotalVCORefChipSDMFilter100-65.77-140.9-65.79-90.77-252.8-156.41.00k-93.82-129.0-95.00-100.0-212

16、.8-136.410.0k-103.9-117.3-111.6-105.3-172.0-116.7100k-109.2-115.9-120.2-112.4-137.6-115.81.00M-137.3-139.0-166.0-158.0-143.1-151.0由圖十可見，本振相噪能滿足指標(biāo)要求。頻率穩(wěn)定度本方案采用頻率穩(wěn)定度優(yōu)于lppm的50MHz溫補(bǔ)晶振作為本振參考源，能滿足頻率穩(wěn)定度優(yōu)于2ppm的指標(biāo)。工作條件本方案中所選芯片均為工業(yè)級，滿足所需要求；由方案中所用放大器，本振等所耗電流總和小于1000mA。滿足指標(biāo)。電磁兼容性設(shè)計（1）在本產(chǎn)品設(shè)計時，為了解決產(chǎn)品與外界環(huán)境的兼容，減少來自

17、外界的天電干擾；以及解決產(chǎn)品內(nèi)部各級電路間的兼容，克服整機(jī)內(nèi)部、各模塊、各插板和各級電路之間可能產(chǎn)生的輻射干擾和傳導(dǎo)干擾；采用模塊化設(shè)計，然后各功能模塊分腔設(shè)計，防止各模塊的信號串?dāng)_。（2）本產(chǎn)品設(shè)計時，腔體進(jìn)行了接地設(shè)計，以抑制干擾；蓋板進(jìn)行了分腔屏蔽設(shè)計，防止干擾源擴(kuò)散干擾，防止接收電路受外界電磁場的影響，消除近場感應(yīng)和遠(yuǎn)場輻射干擾；采取了各種濾波措施，以抑制干擾源和消除干擾耦合，增強(qiáng)接收電路的抗干擾能力；還進(jìn)行了電路布局設(shè)計、布線設(shè)計。5.5結(jié)構(gòu)設(shè)計方案腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖十一腔體結(jié)構(gòu)外形圖|T一一T_T=d仝奎-F圖十二腔體結(jié)構(gòu)圖該產(chǎn)品采用圖十一、圖十二、圖十三所示腔體設(shè)計。本方案采用分腔設(shè)

18、計，射頻通道需要大面積接地，所以射頻通道部分底層與腔體直接接觸，保證良好的接地。底層布有元件的設(shè)計凹槽。腔體蓋板設(shè)計有棱子，蓋上蓋板過后，使得各個功能模塊分開，防止各個模塊間信號相互串?dāng)_。本設(shè)計中70MHz中頻輸出采用兩路輸出，一路接到下級模塊，另一路采用SMA輸出，不用時接50歐姆負(fù)載，這樣可方便實現(xiàn)測試。電路板設(shè)計常規(guī)的電路板設(shè)計是分成上下兩個腔體，其中射頻通道部分在一個PCB板上，電源和控制部分在另一個PCB上，這樣就必須靠飛線來向射頻板部分提供電源和控制接口。這樣就造成了系統(tǒng)的抗震動性差。在本方案電路板設(shè)計中，為了避免飛線，采用四層電路板，而由于RF通道頻率較高，采用4350板材和FR

19、4板材混合疊壓而成的四層板。頂層介質(zhì)是4350板材，下兩層介質(zhì)為FR4板材。射頻通道全布在頂層，第二層全鋪地，第三層走部分電源線和中頻信號線，第四層布部分電源和控制線。射頻部分、本振、中頻等各個部分采用鋪地分腔設(shè)計，防止各個模塊間的信號干擾。5.6維修性設(shè)計該子系統(tǒng)內(nèi)部采用模塊化設(shè)計，便于快速故障定位，且方便維修。通信協(xié)議通信接口形式簡介S波段射頻接收前端組件（后稱接收組件）通信接口采用4線串行接口，具備雙向通信能力，該形式接口通信速度快，可靠性高，是工業(yè)控制中常用的串行控制接口。在接收組件內(nèi)部設(shè)置中，外控計算機(jī)為主機(jī)，即計算機(jī)向接收組件發(fā)送控制數(shù)據(jù)，或讀取返回信息數(shù)據(jù)（狀態(tài)查詢），都由外控計

20、算機(jī)發(fā)送時鐘信號。本接收組件接口型號為雙排插14針連接器，電源和通信均通過該連接器接入，連接器引腳定義參見表1。為了增強(qiáng)接口可靠性，采用了功能線路的多引腳傳輸，功能定義相同的引腳在產(chǎn)品內(nèi)部相通。表1管腳口功能定義管腳號功能定義號GND10標(biāo)志12GND11鎖定檢測標(biāo)志3SDI（數(shù)據(jù)輸入）12GND4SCK（串行時鐘輸入13+5V5SS（發(fā)送使能輸入14+5V6GND7SDO（數(shù)據(jù)輸出）8GND9GND通信接口時序介紹本接收組件中4線串行接口與外控計算機(jī)通信內(nèi)容分為幾個部分：接收組件調(diào)諧頻率控制；接收組件狀態(tài)查詢指令并讀取返回信息數(shù)據(jù)。各項控制無論通信內(nèi)容是否相同，時序格式完全一致，發(fā)送控制數(shù)據(jù)

21、見圖1，狀態(tài)查詢指令并讀取返回信息數(shù)據(jù)見圖2。SCK（串行時鐘輸入）SDI（串行數(shù)據(jù)輸入）Ss（發(fā)送使能輸入）圖1：接收組件控制數(shù)據(jù)輸入時序SCK（串行時鐘輸入）SDI（串行數(shù)據(jù)輸入）Ss（發(fā)送使能輸入）SDO（串行數(shù)據(jù)輸出）|Tlus|圖2：接收組件狀態(tài)查詢指令輸入及讀取返回信息數(shù)據(jù)輸出時序時序及接口物理參數(shù)要求輸入高電平為+3.3V,高電平最低有效值為+2.7V,高電平最高有效值為+4.3V；輸入低電平為0V,低電平最高有效值為+0.6V；為了可靠傳輸，應(yīng)在串行時鐘低于5MHz和傳輸距離低于2米下工作；外控計算機(jī)向接收組件發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)采樣發(fā)生在串行時鐘上升沿處，即在時鐘上升沿到來之前數(shù)

22、據(jù)應(yīng)準(zhǔn)備就緒；外控計算機(jī)發(fā)送的狀態(tài)查詢指令的最后一個時鐘信號上升沿與返回數(shù)據(jù)的第一個時鐘信號上升沿間隔應(yīng)大于lus，讀取數(shù)據(jù)位在時鐘信號下降沿采樣。控制由接口SDI線路傳送DmsbDlsb及1310,其中DmsbDlsb為控制數(shù)據(jù)，1310（共位）為指令數(shù)據(jù)?？刂茢?shù)據(jù)長度根據(jù)控制內(nèi)容不同而不同。Dmsb為控制數(shù)據(jù)最高位。外控計算機(jī)向接收組件發(fā)送數(shù)據(jù)時先發(fā)送控制數(shù)據(jù)的最高位，直到數(shù)據(jù)最低位（Dlsb）,然后發(fā)送指令字（13、12、11、10）,13先發(fā)送，然后依次是12、11、10。狀態(tài)查詢由接口SDI線路傳送1310,由接口SDO線路傳送D11DO。輸出時序中D11D0為接收組件狀態(tài)參數(shù)輸出數(shù)據(jù)。外控計算機(jī)向接收組件先發(fā)送指令的最高位I3,直到最低位I0,在接下來的驅(qū)動時鐘序列作用下，SDO線依次輸出D11、D10D0。主機(jī)（外控計算機(jī)）需在狀態(tài)查詢指令發(fā)出后完成D11D0的12個時鐘周期的讀取過程，才能進(jìn)行下一次通訊操作，否則可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤或操作失敗。外控計算機(jī)向接收組件發(fā)送數(shù)據(jù)過后，可以查詢本振鎖定檢測標(biāo)志，若為高電