数据链系统中无线电信道一体化组件的设计

摘要：主要介绍了数据链系统中微波一体化组件的各个组成部分，并概述各功能单元的基本结构及其关键技术，着重分析各个功能单元构成一体化组件的技术难点，给出数据链系统中形成一体化组件的设计思路。
关键词：数据链；无线电信道；一体化组件

    数据链的产生和发展始终伴随着武器装备的革新和通信指挥系统的发展。以数据链系统为支柱，融合其他通信手段，实现多数据链、多通信系统的互连、互通、互操作，连通分布于天基、空基、陆基和水下多维空间的众多作战平台，将战场感知系统、指挥控制系统、火力打击系统和支援保障系统等作战要素紧密联为一体，实现从固定通信到移动链接以及从时间协同到空间融合的有机统一，从而实现全球信息栅格的信息共享，将是未来信息化战争的趋势。数据链系统组成如图1所示。

    无论侦查系统、控制系统还是武器系统，大多都通过无线电信道完成数据链的基本通信功能。因此，微波收发组件就成为数据链无线电信道中不可或缺的重要组成部分之一。随着数据链系统中无线电的发展及现代化战争的需求，要求设备小型化和一体化，这给微波组件的设计研究带来了新的挑战。

1 微波一体化收发组件的功能
1．1 数据链收发组件的基本功能
    数据链微波收发组件的主要功能是将无线电链路中接收到的射频载波信号下变频到中频电路进行处理，同时将发射的中频信号上变频到射频载波信号再通过天线发射出去。更为复杂的微波组件可以具备延伸功能，如在低频部分延伸到A／D、D／A转换以及调制解调电路，在射频部分延伸到天线的设计。
1．2 数据链收发组件的功能结构
    完成如图1中所述的功能，数据链收发组件应由如图2所示几个功能单元组成。一体化收发组件的最重要功能是将以上功能单元集成设计到～个组件中去，通过有限外部接口，形成一个独立的组件。

2 微波一体化收发组件的功能单元
2．1 接收前端
    接收前端的主要功能是高质量地接收射频信号，其中主要有两方面的关键技术：(1)射频低噪声放大器；(2)前端保护电路。
2．1．1 前端低噪声放大器
    前端低噪声放大器直接关系到整个接收机的灵敏度，接收机的灵敏度从某种意义上决定了整个系统的作用距离等系统指标。数据链接收机的带宽一般较宽，以满足整个系统的频带需求，最终满足抗干扰的要求。所以要求低噪声放大器的带宽一般在百兆以上。这就需要设计一种满足整个系统频带需求的宽带放大器。宽带的要求必然和低噪声系数的基本要求产生矛盾，所以在设计时需兼顾两者指标。
    目前低噪声放大器仍以砷化镓器件的低噪声放大器为主，依频段不同，噪声系数从0．8到3左右。图3为某数据链系统中前端低噪声放大器的频响曲线和噪声曲线。

2．1．2 保护电路
    (1)低插损无源限幅器
    在接收前端设置低插损无源限幅器可以满足大功率的限幅要求，在复杂电磁环境下保证接收机不受大功率干扰信号的影响或损坏。其基本原理是利用PIN二极管对大信号的限幅作用，在一定功率范围内保证通过二极管后的功率被限制在一定电平之内，充分保护后级低噪声放大器不受损。
    (2)高功率开关
    为了满足更高功率的抗大功率要求，须在前端设置大功率开关，大功率开关同样是基于PIN二极管设计的。其区别在于限幅器为无源器件，利用二极管本身对功率信号进行抑制，而大功率开关则需要外加偏置来关闭更高功率信号。二极管的外加偏置信号一般以驱动电路的形式设计，驱动电路的时间特性应满足整机收发切换的时间要求。
2．2 下变频通道及中频电路
    下变频通道及中频通道一般以满足中频增益要求为设计主旨。其关键技术在于AGC电路的设计，AGC电路应该满足以下两点：(1)满足系统动态要求；(2)输出信号稳定。
2．2．1 系统动态要求
    由于在实际环境中，信号的作用距离(传输距离)往往不确定，则必然带来了数据链系统终端盒的接收信号幅度的不确定。因此，接收机必然存在着一定的动态范围的要求。目前国内外很多厂家如AD公司、HITTITE公司、中电13所、55所等厂家都有类似的AGC放大单片，可达到动态范围40～60 dB甚至更高。
2．2．2 输出信号稳定性设计
    中频信号的输出幅度应该满足后级数字处理单元如AD采样单元的输入要求，因此中频信号的输出稳定性是AGC电路另一个设计重点，尤其是需满足战场环境中使用要求。如在不同温度下，尤其是极限温度下保证其输出功率的稳定，则需要加增益——温度控制电路以满足不同温度时输出功率的稳定。温度控制电路一般有两种实现形式：一是用温度传感器来控制压控或数控衰减器，最终控制整个中频通道的衰减变化量，如图4所示；二是通过热敏电阻形成的电阻网络对衰减量在不同温度下的变化来反拟合(或称补偿)整个中频通道的增益变化，目前所谓的温补衰减器就是基于上述原理形成的集成器件。上述两种温度——增益控制电路是对AGC电路的一个有益的、重要的补充。

2．3 上变频通道及功放
2．3．1 功能
    上变频通道主要完成将中频信号调制到更高的载波频率上。上变频通道除完成简单的变频功能以外，还应该在整个组件的整体设计中考虑在变频通道上增加放大器，为后级发射通道的功放提供合适的信号。
2．3．2 功放的设计
    组件功放的功能为将预发射载波信号进行功率放大后通过天线发射出去。
    (1)功放高线性度的要求
    组件是应用于以数据通信为目的数据链系统，所以对信号质量要求较高。通信系统中的数字调制体制如FSK、MSK、QPSK等对功放线性度的要求不尽相同，其中QPSK对功放线性度要求较高。提高功放线性度的途径有很多种，但往往要根据整个组件的指标要求，复杂度要求来权衡使用。
    (2)整机的功耗要求
    设计组件中的功放设计和一个纯功率放大器的设计有一些细微的差别，这些差别当中功耗要求是首先要考虑的。功放是整个组件中功耗最大的一个单元，所以功放的功耗代表了整个组件的绝大部分功耗。降低功耗的方法基本就是提高功放的效率，从射频功放本身的设计上看，保证功率要求基本上取决于功放器件本身的性能。目前较为先进的器件是氮化镓功率器件，但采用氮化镓的方案对供电和射频匹配提出了更高的要求。在电路设计上也可以采取预失真的方式，在满足一定功率要求的情况下，提高线性度，从另一个角度等于降低了整个功放的功耗。另外一个重要途径是在微波组件中采用DC—DC变化电路或称电源模块，提高为功放供电电源模块的效率，实际上也是一个非常重要且行之有效的方法。
2．4 本振单元
    本振单元是为收发变频通道提供变频所需的信号源，是整个组件技术难度较大的单元。
2．4．1 基本指标的实现
    目前数据链系统中，采用单一频点通信的情况越来越少见，所以一般的方案采用锁相环技术(PLL)，或直接数字合成(DDS)。要求频率切换时间短的系统一般采用DDS实现，相位噪声要求较高或杂散抑制要求较高的系统则采用传统的锁相方案。
2．4．2 晶振对于组件指标决定性意义
    在上述两种方案中，本振单元的核心器件应该是晶振，晶振的指标对组件的性能有着决定性的意义：晶振的准确度影响通信的捕获带宽，晶振的相位噪声直接影响接收机的灵敏度。
    有关晶振的设计理念，设计方法有很多种，在此不再赘述有关晶振的内部的设计。而晶振的设计应首先关注上述两个基本指标。更为关键的是在高低温工作情况下，在振动工作情况下晶振指标的恶化。从晶振的实现形式上来看，恒温晶振在高低温下指标性能变化较小，而温补晶振的体积很小可以采取较好减振措施。综上，最佳的设计当然是选用恒温晶振的同时，对做良好的减震设计，如图5所示。

2．5 天线端口
    在双(多)天线的系统中，组件的设计需考虑到天线方向性因素和实际使用情况，合理布局。在端口电路上则需考虑使用隔离器以满足和天线系统的良好匹配。
    在单天线系统中，组件的设计需考虑到收端和发端公用一个端口，一般应用环形器或者单刀双掷开关以连接收发两个通道。同时还要考虑到天线完全开路时，发射末端对接收前端的影响。

3 一体化设计的思路
    如何将各个单元组合成一个组件是此类组件的设计难点，一般的设计思路为：(1)确定外型结构和接口位置；(2)确定内部功能单元的布局；(3)考虑内部电磁兼容问题。
3．1 确定外型结构和接口位置
    根据整个系统的要求确定外型结构，根据组件和其他分系统的功能分布确定各个接口位置，组件的安装方式和固定位置。这些就形成了组件设计的基本限制条件，所有的后续设计都应该依据此条件进行组件的布局。
3．2 内部功能单元的布局
    内部功能单元的布局应以最易实现功能连接的设计原则进行布局：接收前端连接下变频通道；上变频通道连接功放；本振连接收发通道；接收前端发射末端连接天线端口。
3．3 内部电磁兼容问题
    由于各个功能单元存在多种频率分量及各种各样的谐杂波，组合出来的频率分量就更为丰富。那么内部电磁屏蔽腔的设计显得尤为重要，各个频率变化的通道和高增益放大的电路中最好使用电磁屏蔽腔配合微波接插件，以达到组件内部电磁兼容的要求。

4 结束语
    本文对数据链系统中无线电信道一体化微波组件的设计进行了描述，各功能单元的电路实现形式应根据系统要求精心设计，并注重设计关键技术环节。一体化设计应严格按照一定严谨设计思路进行布局。这样可以满足数据链系统对组件小型化一体化的要求。最终实现良好系统功能。