大動(dòng)態(tài)范圍Ku波段下變頻設(shè)計(jì)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 李寶新

本文主要是對(duì)一種大動(dòng)態(tài)范圍的Ku波段下變頻模塊的設(shè)計(jì)，硬件電路上下分腔解決多通道變頻設(shè)計(jì)時(shí)本振信號(hào)走線交叉問(wèn)題，一中頻上下穿腔的方式抑制高低頻信號(hào)的串?dāng)_，提高鏈路的諧雜波抑制度。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，下變頻模塊的增益≥46dB，實(shí)現(xiàn)了兩種中頻帶寬15MHz和30MHz，通道的諧雜波抑制≥60dBc，通道的動(dòng)態(tài)范圍80dB，能夠滿足模塊技術(shù)指標(biāo)要求。

隨著電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，雷達(dá)的探測(cè)距離越來(lái)越遠(yuǎn)，接收信道作為獲取電子信息的前端設(shè)備，對(duì)高靈敏度和大動(dòng)態(tài)范圍的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。高靈敏度大動(dòng)態(tài)范圍的接收信道對(duì)電子信息接收系統(tǒng)起著越來(lái)越重要的作用。接收信道的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)存在一定的矛盾，同時(shí)要保證接收信道的線性度，防止信號(hào)經(jīng)接收信道后失真，從而影響后端數(shù)字解調(diào)。為了提高數(shù)字解調(diào)的靈敏度，就需要接收信道提供較好的諧雜波抑制度。

本文介紹了采用超外差式接收機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了Ku波段下變頻模塊，詳細(xì)論述了下變頻模塊的理論分析，并通過(guò)硬件電路的上下分腔設(shè)計(jì)解決多通道變頻設(shè)計(jì)時(shí)本振信號(hào)走線交叉的問(wèn)題，一中頻信號(hào)上下穿腔設(shè)計(jì)的方式抑制高低頻信號(hào)的串?dāng)_，提高鏈路的諧雜波抑制度。實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)范圍，集成度高，通道的隔離度大和諧雜波抑制好的要求，測(cè)試結(jié)果表明模塊的性能完全滿足指標(biāo)要求。

1 下變頻模塊技術(shù)要求

Ku波段下變頻模塊的主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）通道數(shù)：3路；

（2）射頻輸入功率：15.8GHz～16.2GHz；

（3）增益：45dB±1dB；

（4）輸出頻率：140MHz，帶寬15MHz和30MHz；

（5）輸出諧雜波抑制：≥60dBc。

2 鏈路設(shè)計(jì)

2.1 鏈路設(shè)計(jì)框架

對(duì)于級(jí)聯(lián)線性網(wǎng)絡(luò)，其級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)為：

式中，NFn表示第n級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，Gn為第n級(jí)放大器的增益。式(1)可以看出，下變頻鏈路設(shè)計(jì)中前級(jí)的放大器要求噪聲系數(shù)盡可能的小，增益盡可能的大，從而更好的保證鏈路的噪聲系數(shù)指標(biāo)。

接收機(jī)的靈敏度計(jì)算公式為：

式中NF為鏈路的噪聲系數(shù)，SNR為滿足一定誤碼率所需的最低信噪比，B為信號(hào)帶寬。式(2)可以看出，當(dāng)鏈路的工作帶寬一定時(shí)，最低信噪比通常是AD決定的，因此要提高鏈路的靈敏度要求鏈路的噪聲系數(shù)要盡可能的小。

無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍的公式為：

因此為了使鏈路的雜散信號(hào)小，需要IIP3盡可能的大。

下變頻模塊主要包含放大器、濾波器和混頻器組成。射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)STC有效提高動(dòng)態(tài)范圍之后進(jìn)行放大，放大的信號(hào)進(jìn)入混頻器通過(guò)濾波放大再進(jìn)行二次混頻濾波和放大。一次混頻前的增益過(guò)大一方面會(huì)造成混頻的諧雜波較大，另一方面會(huì)降低通道的線性動(dòng)態(tài)范圍，因此本設(shè)計(jì)中大部分的增益均分配到二次混頻之后?；祛l后的信號(hào)含有大量的諧雜波信號(hào)，因此在進(jìn)行二次混頻前需要先進(jìn)行濾波，但是帶通濾波器對(duì)于遠(yuǎn)端信號(hào)的抑制度不高，因此再加一級(jí)低通濾波器對(duì)遠(yuǎn)端信號(hào)進(jìn)行抑制。為了提高輸出雜散的抑制度，要求前級(jí)的放大器工作在良好的線性區(qū)。

2.2 鏈路設(shè)計(jì)與測(cè)試

通過(guò)硬件上下分腔設(shè)計(jì)后，上下腔體均只有一種本振信號(hào)需要與射頻信號(hào)進(jìn)行混頻，本振信號(hào)的功分、放大、濾波處理可以在盒體的一側(cè)完成。上腔體混頻產(chǎn)生的一中頻信號(hào)利用同軸線纜穿孔到下腔體中，可以有效防止射頻信號(hào)通過(guò)空間輻射串?dāng)_到中頻信號(hào)，鏈路上的串?dāng)_和一次混頻的諧雜波信號(hào)可以通過(guò)一中頻的帶通濾波器有效濾除，從而提高鏈路諧雜波的抑制度。設(shè)計(jì)方案示意圖如圖1所示。

圖1 盒體設(shè)計(jì)示意圖

電路實(shí)物圖如圖2所示，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖2 電路實(shí)物圖

圖3 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)試得到，通道的增益為46dB，諧雜波抑制度為63dBc，通道的中頻帶寬為15MHz和30MHz兩種模式，滿足指標(biāo)要求。

結(jié)論：本文通過(guò)理論分析，ADS仿真和實(shí)物測(cè)試完成了Ku波段下變頻模塊的設(shè)計(jì)，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。硬件電路上下分腔設(shè)計(jì)解決多通道變頻設(shè)計(jì)時(shí)本振信號(hào)走線交叉問(wèn)題，一中頻利用同軸電纜上下穿腔的方式抑制高低頻信號(hào)的串?dāng)_，提高鏈路的諧雜波抑制度。Ku波段下變頻模塊實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)的大動(dòng)態(tài)范圍，高集成度，低成本，諧雜波抑制好的特點(diǎn)，對(duì)于該類下變頻模塊組件的設(shè)計(jì)具備較好的參考價(jià)值。