一種小型化寬帶射頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)

胡小蘭 殷軍 陳麗

1引言

微波綜合測試儀在單臺儀器上可完成信號發(fā)生、信號分析、頻率測量、功率測量、時域測量、網(wǎng)絡(luò)分析和調(diào)制域分析等多種儀器功能，各單元既可獨(dú)立工作，也可通過軟件組合調(diào)度和管理，實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、T/R組件以及其它各類部件的多參數(shù)綜合檢測，由于集成度高，測試功能豐富，是微波測試領(lǐng)域非常受歡迎的測試設(shè)備。便攜式微波綜測儀主要用于雷達(dá)、電子對抗及通信等復(fù)雜電子設(shè)備的現(xiàn)場測試維護(hù)和故障排除等，對帶寬、輕量化、便攜性需求較高。本文以便攜式微波綜合測試儀項(xiàng)目中信號分析功能為要求，從方案選擇、通道增益以及噪聲系數(shù)仿真優(yōu)化與濾波器的仿真優(yōu)化等方面介紹了頻率范圍、靈敏度和鏡頻抑制都較高的射頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)。

2具體設(shè)計(jì)要求

①頻率范圍：

30 kHz ～ 26.5 GHz。

②噪聲系數(shù)（前放開）：

≤16 dB<7.6 GHz；

≤17 dB 7.6 ～ 13 GHz；

≤19 dB 13 ～ 20 GHz；

≤20 dB 20 ～ 26.5 GHz。

③通道損耗：

6 dB±3 dB<7.6 GHz

10 dB±4 dB 7.6 ～ 13 GHz；

13 dB±4 dB 13 ～ 20 GHz；

16 dB±4 dB 20 ～ 26.5 GHz；

④鏡頻抑制：≤-50 dBc。

⑤重量：≤400 g。

3整體方案設(shè)計(jì)

由于射頻輸入范圍為30 kHz ～ 26.5 GHz，頻帶寬，為保證鏡頻、中頻等雜散抑制及靈敏度等指標(biāo)，射頻前端采用多級下變頻的超外差方案。射頻前端主要由衰減器、輸入濾波器和混頻器組成，在高頻印制電路板上實(shí)現(xiàn)，相比微波腔體方案，電路板方案體積更小、重量更輕、成本更低、可生產(chǎn)性更好。射頻前端結(jié)構(gòu)上采用外加密封的鋁金屬腔屏蔽，射頻、本振輸入信號和中頻輸出信號采用同軸到微帶轉(zhuǎn)換連接器，直流偏置和控制信號通過扁平電纜引入，功能電路之間采用金屬墻隔離，金屬墻側(cè)壁涂導(dǎo)電膠，金屬腔內(nèi)加吸波材料，整個射頻接收前端模塊具有良好的EMC特性。

為降低所需的頻率范圍，同時優(yōu)化混頻方案，提高鏡頻濾波器實(shí)現(xiàn)的可行性，30 kHz～26.5 GHz劃分為波段1～3，而波段3又細(xì)化為波段3～9，詳細(xì)劃分如表1所示。

4設(shè)計(jì)、仿真與試驗(yàn)

4.1通道增益指標(biāo)的分配與仿真

以18 GHz頻段為例，將衰減器、開關(guān)等損耗性器件合并為衰減器進(jìn)行簡化，在混頻器和放大器不壓縮的前提下，前端的衰減應(yīng)盡量小，放大器應(yīng)選大增益低噪聲類型，對各部分的損耗和噪聲系數(shù)進(jìn)行指標(biāo)分配與計(jì)算，簡化后的框圖和計(jì)算仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2鏡頻抑制濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

為了有效抑制鏡像和多重響應(yīng)，將整個頻段劃分為3個波段分別進(jìn)行混頻與濾波，1～2波段采用高中頻方案，因?yàn)楦咧蓄l方案可大大簡化濾波器的設(shè)計(jì)，第3波段又根據(jù)濾波器的帶寬、帶外抑制和制作難度，細(xì)化為6個波段進(jìn)行帶通濾波，在掃頻時通過控制開關(guān)進(jìn)行波段切換和銜接，針對其中的一些波段進(jìn)一步增加低通或高通濾波電路，加強(qiáng)對鏡頻和干擾信號的抑制。因該濾波器為反射式，其在阻帶頻段中往往產(chǎn)生很強(qiáng)的空間輻射功率，為了有效屏蔽空間輻射和減小占用空間，第3波段采用帶狀線濾波器。因?yàn)閹罹€位于內(nèi)層，有參考平面屏蔽，屏蔽效果更好、輻射更小，其電磁場均勻的分布在導(dǎo)帶的上下兩側(cè)，受到的干擾也小，不需要額外設(shè)計(jì)屏蔽結(jié)構(gòu)，在印制板上節(jié)省出大量空間。從采用8層RO4003C印制板制作的18 ～ 21 GHz帶狀線帶通濾波器的實(shí)際電路圖、X光照片及插損測試曲線圖中可以看到，插損、帶寬、帶內(nèi)平坦度都較好，而其鏡頻（10.8 ～13.8 GHz）抑制≥55 dBc，在通路上再適當(dāng)增加高通濾波，可防止不同批次做板工藝差異帶來的結(jié)果差異，保證該指標(biāo)的多次生產(chǎn)全通過。

4.3低回波損耗過孔設(shè)計(jì)

由于帶狀線結(jié)構(gòu)對外輻射較小，設(shè)計(jì)中多采用帶狀線結(jié)構(gòu)，因此需要通過垂直互連（垂直過孔結(jié)構(gòu)）進(jìn)行換層，在射頻和微波頻段，垂直互連與鄰近的傳輸線間存在不連續(xù)性，從而會引起信號反射，隨著頻率的升高，這種不連續(xù)性還將呈現(xiàn)出輻射特性，反射和輻射隨著頻率的升高越來越強(qiáng)，會嚴(yán)重影響信號的傳輸，甚至在某些頻點(diǎn)會產(chǎn)生諧振，加大對傳輸信號的損耗，所以在設(shè)計(jì)時不能很好地處理過孔連接問題將對整個電路造成嚴(yán)重影響。因此設(shè)計(jì)中需要將過孔的影響因素降低到最小，為避免“短柱效應(yīng)”導(dǎo)致阻抗變化劇烈，可將過孔設(shè)計(jì)為盲孔或埋孔。通過HFSS仿真軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化過程中加入特殊阻抗匹配提高過孔的回波損耗指標(biāo)。

通過對未經(jīng)匹配和經(jīng)過特殊匹配的1～4層的信號傳輸過孔仿真曲線對比，可看出加入特殊阻抗匹配的優(yōu)化過孔回波損耗指標(biāo)在26 GHz頻率、28 dB以上，明顯好于一般設(shè)計(jì)過孔指標(biāo)，在本設(shè)計(jì)微帶線到帶狀線的轉(zhuǎn)換中起到重要作用。

5結(jié)束語

本文介紹了一種寬帶射頻接收機(jī)設(shè)計(jì)方法，電路在微波印制板上實(shí)現(xiàn)，達(dá)到靈敏度高、鏡頻抑制好、體積小、重量輕以及可生產(chǎn)性好等效果。電路已成功運(yùn)用于某微波綜合測試儀和頻譜分析儀產(chǎn)品，已在現(xiàn)場和外場電子設(shè)備的測試中發(fā)揮重要作用。