射頻產(chǎn)品設(shè)計注意事項

1.電源處理

電源處理是射頻設(shè)計的第一道功課，電源處理不當(dāng)，有源射頻電路將前功盡棄。同接收機(jī)一樣，浪涌、噪聲、DC-DC紋波、共模干擾都不可忽視，由于發(fā)射機(jī)是大信號，處理難度小于接收機(jī)。

2.輸出功率

功放管在整個頻率范圍內(nèi)的額定輸出功率，考慮到最大輸出功率與功放管結(jié)溫緊密相關(guān)，應(yīng)該有2dB以上的功率余量，如果是非恒包絡(luò)調(diào)制，會存在峰均比，功放的非線性還會惡化ACLR，所以實際的功放輸出功率應(yīng)該在飽和輸出功率的基礎(chǔ)上再回退若干dB。

功放管的輸入、輸出阻抗隨頻率變化，使得輸出功率一樣隨頻率起伏，為了使輸出功率穩(wěn)定，必須進(jìn)行閉環(huán)控制，最佳閉環(huán)控制采用數(shù)字APC的方法，通過前向檢波，檢測輸出功率的偏差量，再通過數(shù)字衰減，調(diào)整激勵功率，是輸出功率穩(wěn)定。

工作頻率越寬，功放的輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，通過多級匹配展寬功放管的工作帶寬，只有功放管的輸入、輸出處于良好的匹配狀態(tài)，功放管的輸出功率才能達(dá)到最大，效率才會最低。三階互調(diào)也與匹配網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)，功放管有兩種匹配準(zhǔn)則：按最佳互調(diào)和按最大輸出功率，這兩種匹配可能不會吻合，需要折中。

匹配網(wǎng)絡(luò)同時也是一種濾波器，濾波器的傳遞函數(shù)有個隨頻率變化的相位因子，可以改變不同頻率失真分量的相位，如果相位相反，則部分互調(diào)失真抵消，這就是最佳互調(diào)匹配。

3.輸出效率

效率關(guān)系到功耗，手持式采用電池供電，效率影響到電池的持續(xù)工作時間。從另一個層面，效率還影響到無用功耗，這部分功耗等于自身發(fā)熱，使器件溫度升高。

通常說的輸出效率將輸出功率與電源功耗相比：η=Pout/PDC×100%，另一個概念是附加效率PAE(Power-Add Efficiency)，輸出功率扣除了輸入功率，是功放的凈輸出功率，是對效率更準(zhǔn)確的描述，PAE=(Pout-Pin)/Pdc×100%。

4.穩(wěn)定性

有兩種穩(wěn)定狀態(tài)：條件穩(wěn)定和無條件穩(wěn)定，考慮到功放的工作頻率范圍寬，溫度適應(yīng)范圍從-45~+85℃，條件穩(wěn)定有潛在的自激危險，必須將功放設(shè)計成無條件穩(wěn)定，即應(yīng)通過反饋、偏置、匹配將功放牽引到穩(wěn)定圓內(nèi)。

5 關(guān)鍵指標(biāo)

5.1 收發(fā)隔離度

收發(fā)隔離是對收發(fā)雙工器的要求，當(dāng)發(fā)射的時候，會通過雙工器泄露到接收機(jī)前端，造成LNA飽和或損壞。設(shè)計多大的隔離度合適，一般原則是使射頻AGC不起控，避免發(fā)射轉(zhuǎn)接收后，因AGC時間常數(shù)(檢波器輸出)較大，射頻前端來不及響應(yīng)，一般TDMA雙工器可以做到50dB以上。

5.2 寬帶噪聲

單純功放輸出的寬帶噪聲一般不大，當(dāng)發(fā)射機(jī)激勵功放后，功放輸出的寬帶噪聲會顯著增大，為不影響附近工作的其它設(shè)備接收機(jī)，這個寬帶噪聲必須限制，通常要求地面設(shè)備近端低于-110dBc/Hz，偏離10%fo以遠(yuǎn)寬帶噪聲低于-130dBc/H，特殊頻段甚至要求更低。

要達(dá)到這個指標(biāo)，除了要限制接收機(jī)的輸出寬帶噪聲外，功放本身也需要優(yōu)化設(shè)計。一般功放的總增益應(yīng)該限制在30dB以下，功放的推動級輸出端應(yīng)該采用調(diào)諧濾波器或濾波器組。這樣方有可能將輸出近端寬帶噪聲限制在-110dBc/Hz以下。

5.3 諧波抑制

功放具有非線性，輸出必然含有諧波，諧波屬于無用發(fā)射，會干擾附近其它設(shè)備接收機(jī)的工作，可以當(dāng)作雜散看待。一般要求手持式諧波低于-50dBc，車載式、機(jī)載式諧波低于-70dBc。

為降低諧波水平，功放輸出端必須級聯(lián)濾波器，由于帶通濾波器的插損太大，一般采用低通濾波器，對于寬頻帶功放，fH/fL>1，諧波落在工作頻段內(nèi)，所以需要低通濾波器組。

A類放大器在P1dB附近的2次諧波大約是-20~-25dBc，飽和輸出時諧波更大。AB類放大器由2個A類放大器組成，輸入、輸出端均有反相巴倫，功放輸出的偶數(shù)次諧波同相，經(jīng)過后面的反相巴倫合成后，偶次諧波抵消。如果2個放大器的幅度平衡、相位平衡較好，2次諧波大約-30~-40dBc。相比之下采用AB類放大器，諧波抑制具有優(yōu)勢。

經(jīng)過推挽放大和不平衡-平衡轉(zhuǎn)化，諧波抑制可以提高，因此可以通過功率合成的辦法，提高諧波抑制。當(dāng)fH/fL>>1，比如30~512MHz，頻率覆蓋達(dá)17倍，如果用濾波器來抑制諧波，至少需要含6個濾波器的濾波器組，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，插入損耗也不可小視，如果采用功率合成的方法(涉及到各支路幅度問題)，難度會小很多。

5.4 三階互調(diào)(或ACLR)

功放是發(fā)射機(jī)的鏈路延伸，與發(fā)射機(jī)一樣，三階互調(diào)會影響ACLR，使EVM惡化，由于功放的輸出功率更大，功率回退較小，非線性更加嚴(yán)重。

三階互調(diào)指標(biāo)主要用于衡量多信道、多載波時，互調(diào)分量對系統(tǒng)的干擾程度，任何2個信道都會產(chǎn)生2個三階互調(diào)產(chǎn)物，干擾上、下2個等間隔信道。

5.5 EVM

EVM是接收機(jī)解調(diào)的保證，EVM惡化太多，會損失解調(diào)信噪比，對于恒包絡(luò)調(diào)制，通常功放的EVM<5%，非恒包絡(luò)調(diào)制，為降低ACLR，功放輸出功率必須回退幾dB，EVM通常較好，<3%。

5.6 輸出駐波比

功放的輸出駐波比與激勵功率有關(guān)，當(dāng)激勵為0與滿負(fù)荷激勵時，駐波比相差較大，不能用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量，應(yīng)該用通過式功率計進(jìn)行測量，駐波比一般小于1.5。

5.7 輸出開短路保護(hù)

當(dāng)功放輸出負(fù)載開路或短路，輸出功率全反射回功放管，與功放管輸出電壓疊加，使功放管漏極電壓加倍或等效短路，可能損壞功放管。為防止功放管損壞，通常降低激勵，使輸出下降3~10dB，保護(hù)功放管，當(dāng)負(fù)載開短路恢復(fù)正常后，逐步恢復(fù)原激勵功率。

5.8 負(fù)載適應(yīng)性

天線不是純阻負(fù)載，寬帶天線的阻抗變化很大，通信系統(tǒng)要求天線的駐波比不大于2.0。當(dāng)駐波比等于1時，阻抗匹配，輸出功率最大;當(dāng)駐波比為2.0時，阻抗失配，功放的輸出功率下降。通常，當(dāng)采用駐波比為2.0的假負(fù)載時，功放輸出功率下降值應(yīng)不大于1dB。

5.9 電源適應(yīng)性

不管是電池供電還是外接直流電源供電，電源電壓并非一直保持恒定，當(dāng)電源電壓升高、或下降時，功放輸出功率可能會發(fā)生變化，特別是恒包絡(luò)調(diào)制，功放工作在飽和狀態(tài)，電源電壓變高，飽和輸出功率變大，電源電壓變低，飽和輸出功率變小。

當(dāng)電源電壓在極限電壓范圍內(nèi)變化時，功放的輸出功率變化不應(yīng)該超出2dB。除此之外，采用非恒包絡(luò)調(diào)制的波形，EVM還必須達(dá)標(biāo)。

5.10 溫度穩(wěn)定性

當(dāng)工作溫度從最低到最高變化時，手持-25~+60℃，車載-45~+85℃，機(jī)載-55~+70℃，功放的輸出功率變化不大于±1dB，過溫可以進(jìn)行熱保護(hù)，允許輸出功率降低3dB。

5.11輸出功率波動

在全溫范圍內(nèi)、全頻率范圍內(nèi)、標(biāo)準(zhǔn)輸出阻抗，功放的輸出功率應(yīng)該保持穩(wěn)定，輸出功率變化不大于±1dB。

5.2.1功耗(效率)

功耗與效率緊密相關(guān)，窄帶功放的輸出效率幾乎等于最大輸出效率，為了擴(kuò)展帶寬，寬帶功放幾乎處于匹配狀態(tài)，效率大大下降，如何提高輸出效率與如何展寬功放的帶寬都是功放設(shè)計的最大難題。

5.12待機(jī)功耗

對于TDMA體制工作的設(shè)備，當(dāng)處于接收狀態(tài)時，功放應(yīng)該關(guān)閉，防止功放輸出噪聲干擾接收。由于功放斷電/上電時間達(dá)ms級，為適應(yīng)設(shè)備收發(fā)轉(zhuǎn)換us級的需要，功放不能完全斷電，功放管只能處于待機(jī)狀態(tài)，加漏壓，只關(guān)閉柵壓。這樣流經(jīng)功放管漏極的電流幾乎為零，起到降低功耗的目的，而且上電很快。

除了末級功放管外，推動級放大器也一樣需要待機(jī)，進(jìn)一步降低功耗，降低噪聲。

5.13收發(fā)轉(zhuǎn)換時間

功放的收發(fā)轉(zhuǎn)換時間不是雙工器的T/R開關(guān)轉(zhuǎn)換時間，而是從功放的柵極打開開始，到輸出功率上升到90%的時間(保持激勵)，同樣從功放的柵極關(guān)閉開始，到輸出功率下降到10%的時間(保持激勵)是發(fā)收轉(zhuǎn)換時間。

5.14雜散

功放本身應(yīng)該不存在雜散問題，當(dāng)功放的電源部分設(shè)計不良，出現(xiàn)內(nèi)部浪涌或較大的紋波，電源可能會影響功放，產(chǎn)生電源雜散、開關(guān)雜散，

5.15穩(wěn)定性

功放工作期間，或收發(fā)轉(zhuǎn)換期間，功放不應(yīng)出現(xiàn)自激、瞬時指標(biāo)異常、短時輸出功率變化太大，等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

5.16 溫度指示

功放管的管芯溫度最高，必須通過溫度傳感器實時采集功放管的殼溫，由處理器判斷是否過溫，是否要進(jìn)行過溫保護(hù)。5.17正向、反相功率指示 正向、反相功率檢測用于功率閉環(huán)控制，穩(wěn)定輸出功率。反相功率除以正向功率就是駐波比，處理器可以由此判斷功放負(fù)載是否異常。5.18 峰值電流

電源的最大負(fù)載能力是有限的，最大工作電流不能超過電源最大電流值，開機(jī)沖擊電流會產(chǎn)生開機(jī)浪涌，也不能太大。

5.20 電源

功放的電源必須經(jīng)過相應(yīng)處理，退耦、濾波、抑制浪涌，提高電磁兼容能力。濾波電容越大，電源越平滑，但開機(jī)沖擊電流也越大，單個濾波電容的ESR較大，頻繁的充放電使電容發(fā)熱，多個電容并聯(lián)，使ESR成倍降低，發(fā)熱大大減小，延長了電容的使用壽命。

功放是設(shè)備功耗最大的部件，電源的充放電、浪涌容易引起電源欠阻尼振蕩，需要大功率電阻增大阻尼，抑制振蕩。通常將大功率電阻與磁芯電感并聯(lián)，對于直流，電阻被電感短路，不產(chǎn)生壓降，對于交流，電阻被接入，吸收振蕩。

電源處理

設(shè)備采用突發(fā)通信，發(fā)、收工作比不高，電源電流也是脈沖，如果采用電容存儲的方法，平滑電流，將大大降低輸入峰值電流，類似于脈沖功放。這種脈沖電源儲能電容不能直接并聯(lián)在電源線上，需要單獨設(shè)計電流源充電，限制充電電流。

6 布局

功放的電源電流很大，電壓較高，極易干擾小信號射頻和低頻電路，原則上功放按照信號流向布局，推動級與末級輸出采用空間隔離，防止自激。電源輸入口應(yīng)該在末級功放管一側(cè)，所有小信號、控制電流電路應(yīng)該遠(yuǎn)離總電源濾波、退耦，遠(yuǎn)離末級放大器。

采用金屬殼屏蔽的功放結(jié)構(gòu)，應(yīng)該實現(xiàn)仿真、計算腔體的諧振頻率，諧振頻率必須大于最高工作頻率的2倍以上，以留出足夠的安全余量。

6.1時鐘

軍用通信設(shè)備通常工作于很寬的射頻頻段，射頻低端頻率較低，時鐘的諧波極易落入工作頻段內(nèi)，成為無法避開的干擾。

如何處理時鐘問題，有一些基本的處理方法和原則。

6.1.1時鐘輸出波形

通常，晶體振蕩器直接輸出的都是切頂正弦，諧波十分豐富，可以通過低通濾波器將切頂正弦(準(zhǔn)方波)過濾成正弦。為降低諧波干擾，寬帶設(shè)備使用的頻率參考源采用正弦波形，并通過BPF或LPF抑制時鐘諧波，使諧波低于-40dBc(切頂正弦的諧波更高)，即便在這種情況下，時鐘的高次諧波泄漏到射頻通道仍然可以達(dá)到-80~-100dBm，遠(yuǎn)高于接收靈敏度，使諧波頻率點不能正常使用。

由于晶振電路本身也會泄漏高次諧波，當(dāng)后級濾波器對諧波的抑制達(dá)到一定程度，再增大抑制就幾乎沒什么改善。

另外，由于阻抗失配、電路寄生參數(shù)的影響，方波容易產(chǎn)生過沖和振鈴，使時鐘的過零點產(chǎn)生偏移，惡化相位噪聲。相反，正弦波不存在過沖和振鈴問題，所以正弦波的相位噪聲好于方波。這個結(jié)論在電路噪聲較小的情況下成立，當(dāng)電路噪聲較大，疊加在正弦電壓上，同樣會引起過零點的偏移，而方波的偏移量就明顯小于正弦波。由于數(shù)字單元的脈沖噪聲很大，而射頻單元的噪聲相對較小，故將時鐘放在射頻部分是一種更合理的做法。

窄帶通信為降低電路復(fù)雜度、降低成本，時鐘通常采用方波。

6.1.2多時鐘同步

如果使用多時鐘，原則上各時鐘應(yīng)該同源，即保持同步。不同于雷達(dá)，通信設(shè)備各時鐘之間不一定有很嚴(yán)格的相位關(guān)系，故有的設(shè)備多時鐘之間是異步的。需要注意的是，時鐘越多，諧波頻點也越多，干擾也就越嚴(yán)重。

6.1.3時鐘分配

設(shè)備需要很多路時鐘，ADC、DAC、FPGA、ARM、DSP、PLL等，原則上時鐘由射頻部分產(chǎn)生，射頻部分有幾路本振就應(yīng)有幾路時鐘，對數(shù)字基帶部分可給出1~2路時鐘，ADC和DAC最重要，應(yīng)優(yōu)先使用。如果晶振的輸出電平較低，應(yīng)先放大后分配。

有另一種做法，由數(shù)字基帶部分產(chǎn)生時鐘，在FPGA里將時鐘分作多路，共各部分使用，由于FPGA是數(shù)字器件，干擾嚴(yán)重，相位抖動也很大，用這種簡單方法得到的時鐘，基本指標(biāo)會較。

6.2功耗

功耗在整個設(shè)備設(shè)計過程中都不可輕視，是需求嚴(yán)格限制的技術(shù)要求，功耗大還會產(chǎn)生過多熱量，使設(shè)備溫度升高，方案階段必須優(yōu)先選擇電路簡單、功耗低的方案，器件選型也必須優(yōu)先選擇功耗的器件。

功放是設(shè)備的發(fā)熱大戶，功放的結(jié)構(gòu)、末級功放管的安裝位置影響到散熱效果，需要通過有限元熱仿真來確定最佳方案。設(shè)備對熱最敏感的單元、模塊應(yīng)遠(yuǎn)離功放的安裝位置。

6.3機(jī)內(nèi)自檢BIT

機(jī)內(nèi)自檢BIT(Built-in Test)是GJB要求的功能，完成六性規(guī)定的可測性，同時也輔助維修性對故障部位的判斷。機(jī)內(nèi)自檢分為開機(jī)自檢、周期自檢、按需自檢。

自檢應(yīng)完成對鏈路所有單元的檢測，故障隔離到模塊。為此，每塊PCB、每個功能單元的輸入輸出均需要檢測，PLL的鎖定指示需要檢測，電源是否正常需要檢測。自檢需要激勵源，發(fā)射機(jī)自身可以產(chǎn)生調(diào)制射頻信號，接收機(jī)需要增加輔助信號源，可以用晶振的諧波或者FPGA輸出方波的諧波，通過檢測輸入、輸出功率可以大致判斷模塊鏈路是否正常，若將發(fā)射機(jī)與接收機(jī)變環(huán)，接收機(jī)分析解調(diào)數(shù)據(jù)，計算EVM，可得出鏈路是否正常，發(fā)射、接收信號質(zhì)量是否正常，間接知道本振是否鎖定。

自檢常用方法

1)開機(jī)自檢：開機(jī)上電后，程序加載完成，進(jìn)入自檢模式，處理器采集所有功能模塊的狀態(tài)，異常者以故障標(biāo)示，并上報。

2)周期自檢：處理器定時切換電路功能，進(jìn)入自檢模式，采集所有功能模塊的狀態(tài)，異常者以故障標(biāo)示，并上報。

3)按需自檢：當(dāng)用戶或上位機(jī)下達(dá)單元自檢命令后，處理器完成當(dāng)前工作，切換電路功能，進(jìn)入自檢模式，處理器采集所有功能模塊的狀態(tài)，異常者以故障標(biāo)示，并上報。

6.4電磁兼容

電磁兼容包含兩個方面：EMI和EMS。

EMI包含傳導(dǎo)CE(Conducted Emission)和輻射RE(Radiated Emission)。

CE的頻譜范圍25Hz~40GHz，RE的頻譜范圍25Hz~40GHz。

EMS包含CS傳導(dǎo)敏感度和RS輻射敏感度，CS：ESD，快速脈沖群，浪涌，注入電流，電源跌落;RS：強(qiáng)輻射電磁場。

審核編輯：湯梓紅