超寬帶接收前端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

荀 民

(西安電子工程研究所 西安 710100)

超寬帶接收前端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

荀 民

(西安電子工程研究所 西安 710100)

本文介紹了一種應(yīng)用于電子對(duì)抗領(lǐng)域的2～18GHz超寬帶接收前端的設(shè)計(jì)。首先介紹了設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)接收前端噪聲系數(shù)、增益、靈敏度等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。電路設(shè)計(jì)突出小型化和高集成度，電路基于MCM多芯片微組裝技術(shù)，結(jié)構(gòu)上采用一體化模塊化設(shè)計(jì)，便于整機(jī)集成。

超寬帶；MCM；小型化

0 引言

當(dāng)前無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使電子產(chǎn)品正在朝高頻化、寬帶化、高集成度和小型化方向發(fā)展。寬頻帶、多功能、小型化以及電子綜合一體化要求更高集成度的微波芯片，以提高單一微波模塊的功能。近年來，基于MCM多芯片微組裝技術(shù)為其提供了良好的技術(shù)支持。在微波多芯片組件中，通常采用金絲鍵合來實(shí)現(xiàn)MMIC和微帶線之間的互連，因此，MMIC和微組裝技術(shù)為MCM微波電路打下了良好的基礎(chǔ)。

1 電路組成與設(shè)計(jì)

1.1 組成

2～18GHz超寬帶接收前端主要由低噪聲放大，開關(guān)濾波，兩次變頻以及控制電路等組成。實(shí)現(xiàn)對(duì)接收天線輸出信號(hào)的放大、混頻、濾波，為信號(hào)處理分系統(tǒng)輸入中頻信號(hào)。系統(tǒng)采用芯片化，一體化設(shè)計(jì)思路，整個(gè)接收前端在一個(gè)結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

1.2 工作原理

該接收前端原理框圖如圖1所示，主要包含三個(gè)部分，分別是前級(jí)部分、混頻部分、以及控制部分。接收前端對(duì)2～18GHz的信號(hào)進(jìn)行接收和處理，系統(tǒng)要求接收前端能處理16GHz帶寬的信號(hào)，每路信號(hào)瞬時(shí)帶寬為500MHz。電路的前級(jí)設(shè)置了低噪聲放大器(LNA)，并通過開關(guān)濾波芯片把信號(hào)帶寬劃分為五段，射頻信號(hào)與一本振信號(hào)(LO1)混頻后產(chǎn)生22.25GHz的第一中頻信號(hào)(IF1)，經(jīng)過帶通濾波后再與二本振信號(hào)(LO2)混頻產(chǎn)生1.5GHz的第二中頻信號(hào)(IF2)，最終將頻率為1.5GHz±250MHz的中頻信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器和放大器之后送給信號(hào)處理分系統(tǒng)。

如圖1所示，前級(jí)部分包含了低噪聲放大器和一個(gè)開關(guān)濾波芯片，主要用于信號(hào)的低噪聲放大和輸入選擇。開關(guān)濾波芯片劃分的五段頻率范圍分別為：2GHz～3.8GHz，2.9GHz～5.6GHz，4.7GHz ～8.5GHz，7.3GHz～12.2GHz，11.3GHz～18GHz，主要是用于系統(tǒng)的鏡像抑制和頻率選擇，通過控制信號(hào)來切換濾波芯片的通帶。第一次混頻之后的中頻信號(hào)為22.25GHz，第二次混頻后中頻輸出信號(hào)為1.5GHz，兩次混頻后均選擇合適的帶通濾波器濾除無用信號(hào)。

2 主要參數(shù)計(jì)算

2.1 噪聲系數(shù)分析

噪聲系數(shù)是表征接收機(jī)內(nèi)部噪聲大小的一個(gè)物理量。噪聲系數(shù)可以用接收機(jī)輸入端的信噪比(Si/Ni)與輸出端的信噪比(So/No)之比來表示。

(1)

對(duì)于級(jí)聯(lián)系統(tǒng)來說，需要用系統(tǒng)中各級(jí)的增益以及噪聲系數(shù)來確定系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)，對(duì)于典型的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，若各級(jí)增益分別為 G1，G2，G3；各級(jí)噪聲系數(shù)為NF1，NF2，NF3；則系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)為：

(2)

低噪聲放大器是接收前端的主要部件，其性能直接影響接收前端的噪聲系數(shù)和增益是否滿足要求，由多級(jí)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)公式可知，第一級(jí)放大器的高增益可以削弱后級(jí)對(duì)噪聲系數(shù)的影響。所以第一級(jí)放大器按最小噪聲系數(shù)選擇，第二級(jí)在兼顧P-1的同時(shí)要提供足夠的增益，確保將后級(jí)電路對(duì)總體噪聲系數(shù)的影響降到最小。

根據(jù)原理框圖的要求進(jìn)行系統(tǒng)的器件選型，所選器件核心參數(shù)如表1所示。

表1 各級(jí)器件參數(shù)

器件LNA1濾波芯片LNA2混頻器1放大器1濾波器1增益15-615-823-3.5噪聲系數(shù)3.0N/A3.0N/A2.0N/A

根據(jù)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)噪聲系數(shù)公式(2)可以計(jì)算得出系統(tǒng)噪聲系數(shù) NF≤3.5dB。

2.2 增益分配

根據(jù)公式(2)的分析可知，系統(tǒng)最前幾級(jí)的增益和噪聲系數(shù)決定了最終的噪聲系數(shù)。低噪放(LNA1)為第一級(jí)，即低噪放需要大的增益和小的噪聲系數(shù)。系統(tǒng)每一級(jí)的增益以及噪聲系數(shù)，如圖2所示，接收前端總增益為45dB。接收通道各部分的增益設(shè)置，要保證在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)各級(jí)器件均不出現(xiàn)飽和。

2.3 系統(tǒng)接收靈敏度

接收系統(tǒng)輸入端能夠接收并正確處理的最小信號(hào)電平即為接收系統(tǒng)靈敏度，計(jì)算公式為：

Psmin=-114+NF+10log(BW)

(3)

式中：BW為接收帶寬(單位為MHz)，在這里取500 MHz；NF為系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)；由于本系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為3.8dB，將其代入式(3)便可以得到系統(tǒng)的靈敏度為-83.2dBm。

3 電路實(shí)物與測試結(jié)果

超寬帶接收前端實(shí)物如圖3所示。2～18GHz射頻輸入端口采用SMA同軸方式。中頻輸出以及本振輸入端口采用SMP盲配方式，利于前端模塊與后級(jí)電路模塊的級(jí)聯(lián)。電源與控制采用多芯連接器。

由于該接收前端頻率跨度大，測試點(diǎn)數(shù)多，所以這里采用是德公司PNA-X系列的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5244A進(jìn)行測試。N5244A具有變頻測試的功能，測試時(shí)可以對(duì)每個(gè)端口的功率進(jìn)行校準(zhǔn)。為了提高測試的準(zhǔn)確度，將端口1的功率校準(zhǔn)到-5dBm，然后接55dB的同軸衰減器再連接到接收前端的輸入口。

表2 接收前端實(shí)際測試結(jié)果

名稱帶寬噪聲系數(shù)增益P-1各通帶增益一致性測試結(jié)果16GHz3.6dB≥39dB見圖515.3dBm±3dB

接收前端的各項(xiàng)指標(biāo)如表2所示，整個(gè)頻帶內(nèi)噪聲系數(shù)最差值為3.6dB；輸出P-1功率值為15.3dBm，測量中改變射頻頻率該值沒有變化，說明接收前端的增益分配合理：當(dāng)輸入信號(hào)足夠大時(shí)，首先是末級(jí)放大器的增益出現(xiàn)壓縮。從圖5可以看出開關(guān)濾波芯片將2～18GHz劃分成五個(gè)頻段，五個(gè)通帶之間的增益差最大有6dB，而且具有隨著頻率的升高增益越來越小的規(guī)律。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種超寬帶集成一體化接收前端，電路采用了MMIC單片集成電路。該接收前端在2～18GHz的頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了噪聲系數(shù)小于等于3.6dB，頻率低端增益45dB頻率高端增益39dB。由于接收前端帶寬較寬，受放大器以及混頻器的幅頻特性所限制，高低端頻帶內(nèi)增益有6dB的變化，其解決辦法是在通道內(nèi)增加寬帶幅度均衡器。目前中電13所的均衡器芯片可以在2～18GHz的頻率范圍內(nèi)達(dá)到3.5 dB的均衡量，可以把帶內(nèi)的增益起伏優(yōu)化到2.5dB以內(nèi)。該接收前端具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕和高可靠、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，實(shí)物測試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性，在寬帶雷達(dá)電子對(duì)抗中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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DesignandImplementationofUltraWidebandReceivingFront-end

Xun Min

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

Design of an ultra wideband (2～18GHz) receiving front-end which can be used for electronic countermeasure (ECM) is presented. Design scheme is introduced; noise figure, gain, and sensitivity of the receiving front-end are designed and analyzed. Based on multi-chip micro-package (MCM) technology, the circuit design features miniaturized and high integration; integrated and modularized design in structure, which make the whole unit be easy for integration.

ultra wideband; MCM; miniaturization

2017-06-02

荀民(1980-)，男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槲⒉ê秃撩撞ń邮障到y(tǒng)。

TN957

A

1008-8652(2017)03-055-04