一種超低噪聲抗干擾射頻接收前端設(shè)計(jì)

王毅剛　程冰　李勇　朱衛(wèi)俊　范小龍（中電科技德清華瑩電子有限公司，浙江德清　313200）

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一種超低噪聲抗干擾射頻接收前端設(shè)計(jì)

王毅剛程冰李勇朱衛(wèi)俊范小龍
（中電科技德清華瑩電子有限公司，浙江德清313200）

【摘 要】本文設(shè)計(jì)了一種超低噪聲抗干擾射頻接收前端模塊，主要特點(diǎn)是超低的噪聲系數(shù)，并且內(nèi)部集成濾波器，對近遠(yuǎn)端的信號干擾都有較大的抑制。超低噪聲電路采用0.5μm E-PHEMT，采用超低噪聲的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。內(nèi)部濾波器使用2級聲表濾波器，完成近、遠(yuǎn)端抑制功能。射頻接收前端模塊采用表貼工藝研制，并一體化塑封。

【關(guān)鍵詞】超低噪聲抗干擾接收前端一體化塑封

1　引言

射頻接收前端是接收系統(tǒng)的重要組成部分，用在系統(tǒng)的前級，對接收系統(tǒng)的靈敏度起重要作用。

本產(chǎn)品針對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)某頻段進(jìn)行專業(yè)開發(fā)，主要特點(diǎn)是超低噪聲，較好的抗干擾能力，一體化封裝。我們進(jìn)行了針對性的濾波器設(shè)計(jì)生產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)器件的互聯(lián)與封裝。

2　電路設(shè)計(jì)

2.1產(chǎn)品功能及工作原理

在北斗導(dǎo)航接收系統(tǒng)中，接收信號功率在-100dBm以下，如果不通過低噪聲放大處理，信號可能會淹沒在系統(tǒng)本身的噪聲中。而且接收系統(tǒng)還面臨各種其他通訊頻率干擾，包括發(fā)射系統(tǒng)的泄露功率。本產(chǎn)品提供給接收系統(tǒng)前級信號放大以及抗干擾的作用。

射頻前端的主要結(jié)構(gòu)為：第1級低增益超低噪聲放大器—>第1級寬帶濾波器—>第2級高增益低噪聲放大器—>第2級窄帶濾波器，含饋電電路，如圖1所示。

圖1　電原理框圖

第1級放大器主要指標(biāo)是超低噪聲、較低增益、兼顧輸出功率和功耗。第1級濾波器濾除遠(yuǎn)端大功率干擾信號，防止后級工作飽和。第1級電路主要目的是防止模塊工作飽和造成功能失效。

第2級高增益低噪聲放大器主要指標(biāo)是較高的增益，并兼顧噪聲和功耗，選用一款單片放大器（噪聲2dB，增益22dB）。第2級濾波器濾除近端無線電通訊信號干擾。第2級電路主要目的是提高模塊增益以及抗干擾能力。

2.2前級超低噪聲放大器設(shè)計(jì)

第1級放大器關(guān)鍵指標(biāo)是超低噪聲，對放大器的噪聲進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，在噪聲最優(yōu)化的情況下對駐波、平坦度、穩(wěn)定性進(jìn)行改善。采用以下幾個措施：（1）選用合適的晶體管，使其輸入阻抗接近50Ω，或易于匹配到50Ω系統(tǒng)。（2）輸入端使用電抗匹配，最優(yōu)化噪聲系數(shù)。（3）選用合適的源極電感，有效改善輸入駐波以及增加穩(wěn)定性。（4）輸出級使用合適的有損匹配，改善增益平坦度以及增加穩(wěn)定性。

圖2　放大器仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3　放大器仿真結(jié)果1

圖4　放大器仿真結(jié)果2

根據(jù)性能要求，我們選用0.5μm pHEMT管進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，經(jīng)過多次仿真設(shè)計(jì)，進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，仿真設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下，如圖2所示。

仿真結(jié)果如下，如圖3、圖4所示。

加工樣品，測試結(jié)果為：工作頻率2492±4MHz，噪聲0.58dB，輸入輸出駐波1.6，增益14.5dB，電流15mA。

2.3濾波器設(shè)計(jì)

由于電性能特點(diǎn)和小尺寸要求，我們采用聲表濾波器的方案。

濾波器1要求損耗小，遠(yuǎn)帶抑制高，我們選用了阻抗元濾波器（IEF），這種聲表面波濾波器是一種梯形濾波器。這種濾波器由一組純粹電連接的諧振器構(gòu)成，雖然這些諧振器都制作在相同的基片上，但卻沒有聲耦合。在聲激發(fā)不強(qiáng)烈的頻率處，器件相當(dāng)于一個電容器網(wǎng)絡(luò)，因此會產(chǎn)生衰減而形成阻帶。衰減和電容比有關(guān)系，諧振器的數(shù)目越多，衰減就越大。梯形濾波器濾波優(yōu)點(diǎn)是損耗小，1-2dB。

濾波器2要求近阻帶抑制高，陡降快。我們選用了鏡像耦合的DMS濾波器，為了提高矩形度，IIDT采用變指IDT，這種技術(shù)采用了一種不同的諧振方式，在兩個反射柵之間的空間內(nèi)有三個換能器。兩個反射柵構(gòu)成的諧振腔會產(chǎn)生一組諧振模式，換能器對稱排列，這樣就只對對稱模式產(chǎn)生響應(yīng)。設(shè)計(jì)的器件在反射柵的反射頻帶內(nèi)只有兩種對稱模式，這樣，器件就相當(dāng)于一個雙極濾波器。

加工樣品，測試結(jié)果為：

濾波器1：工作頻率2492±20MHz，插損2dB，輸入輸出駐波1.6，遠(yuǎn)端抑制29dB@2492±100MHz。

濾波器2：工作頻率2492±4MHz，插損6dB，輸入輸出駐波1.8，近端抑制29dB@2492±28MHz。

2.4電磁兼容考慮

小尺寸對電磁兼容、信號泄露等都提出更高的要求。尤其是信號從空間的泄露，在小尺寸的范圍內(nèi)很難避免。對于有源的放大器件來說，很容易造成性能不穩(wěn)定，甚至自激的可能。需要通過合理的排版、布線、電源褪耦減小空間耦合帶來的不良影響。

我們采用軟件對排版后的電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并加上封裝層一并進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。并通過試驗(yàn)來修正設(shè)計(jì)模型，得到較為可靠的仿真設(shè)計(jì)模型。

2.5產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和封裝

本設(shè)計(jì)采用全表貼的工藝方案，元器件采用全表貼形式，可采用自動表貼工藝，工藝成熟，效率高，可靠性強(qiáng)，價格上也有比較明顯的優(yōu)勢。

電路板上表面為電路圖形，下表面為產(chǎn)品的信號輸入端、信號輸出端、接地端。正面電路的端口通過電路板上過孔與反面電路端口進(jìn)行電連接。如圖5所示。

封裝采用注膠灌封的形式，將所有元器件表面封實(shí)，進(jìn)行器件的表面保護(hù)，形成一個模塊，反面供用戶焊接使用。如圖6所示。

圖5　電路板示意圖

圖6　封裝的產(chǎn)品圖片

3　測試結(jié)果分析

按照以上設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出的射頻接收前端典型測試結(jié)果如下：

工作頻率2492±4MHz，噪聲0.85dB，增益28 dB，駐波1.8，電源+3V/22mA，尺寸10.3mm×7.8mm。

阻帶抑制：55dBc@0.1～2400MHz；26dBc@2400～2464MHz；26dBc@2520～2600MHz；50dBc@2600～5000MHz。

本樣品曾運(yùn)用到接收系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且在發(fā)射系統(tǒng)工作時，接收前端增益壓縮小于0.5dB。

增益詳細(xì)曲線見圖7，噪聲詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖8。

圖7　增益測試曲線

圖8　噪聲測試

4　結(jié)語

本文介紹的射頻接收前端模塊較好的處理了超低噪聲、抗干擾、低功耗等綜合技術(shù)指標(biāo)，并解決了模塊內(nèi)的信號串?dāng)_等技術(shù)問題，加工制作了一個小型一體化的塑封表貼模塊。

本文研制出的產(chǎn)品還經(jīng)過了高低溫試驗(yàn)、振動試驗(yàn)、電老練試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，可靠性較好。

參考文獻(xiàn)：

［1］程冰，竹衛(wèi)崢，沈一鳴，范小龍.一種共電流型寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)［J］.中國科技縱橫，2016，01.

［2］雷振亞，明正峰，李磊，謝擁軍.微波工程導(dǎo)論［M］.北京:科學(xué)出版社，2010，2-1.

［3］清華大學(xué)《微帶電路》編寫組編.微帶電路［M］.北京:人民郵電出版社，1975:171.

［4］Niclas，K.B.，et al.，“The Matched Feedback Amplifier: Ultrawideband Microwave Amplification with GaAs MESFETs，”IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniques，Vol.28，No.4， 1980，pp. 285-294.

作者簡介：王毅剛（1957—）， 男，河北獻(xiàn)縣人，中國科技德清華瑩電子有限公司工程師，從事射頻聲表面波器件和電路設(shè)計(jì)與研究；程冰（1981—），男，安徽寧國人，中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所工程師，從事微波電路設(shè)計(jì)與研究；李勇（1968—），男，江蘇南京人，中電科技德清華瑩公司研究員級高工，從事聲表面波器件和材料研究；朱衛(wèi)?。?978—），男，江蘇金壇人，中電科技德清華瑩電子有限公司高級工程師，從事射頻聲表面波器件和電路設(shè)計(jì)與研究；范小龍（1989—），男，安徽馬鞍山人，中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所工程師，從事微波電路設(shè)計(jì)與研究。