0.8～18 GHz 超寬帶接收組件設計與實現(xiàn)

王毅

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

0 引言

超寬帶接收機主要應用于電子對抗領域中，特別是雷達對抗領域[1]。為了能偵收敵方的信息，需要接收的頻段盡可能寬，因此偵察雷達往往需要接收機能跨倍頻程工作[2]。作為超寬帶接收機的核心組成部分，超寬帶接收組件需要將從天線接收到的射頻信號變頻至中頻信號。隨著系統(tǒng)復雜度的提高[3-4]，一方面超寬帶接收組件需要具有超寬帶、大動態(tài)、高靈敏度等性能[5-6]，另一方面還需要具備小型化、輕量化和通用化等特點[7-8]。

傳統(tǒng)的超寬帶組件在電路實現(xiàn)時將0.8 GHz～18 GHz的頻帶劃分為若干個子頻帶(如0.8 GHz～6 GHz、6 GHz～18 GHz)來分別進行預選濾波和變頻，濾波器組合占用面積大，頻綜種類多，不利于實現(xiàn)組件的小型化。目前超寬帶組件實現(xiàn)小型化的方式主要有采用LTCC 技術[9]、HTCC 技術[10]及微波多層板技術[11]，前兩者存在成本和工藝問題，后者存在復雜的疊層設計和散熱問題。本文在綜合考慮性能、工藝和成本因素后，提出了一種超寬帶接收組件小型化設計方案，并進行了加工驗證。

1 超寬帶接收組件技術要求

超寬帶接收組件的典型技術指標如下文所示。

1.1 通道指標

(1)通道數(shù)：2 路；

(2)輸入信號頻率：0.8～18 GHz；

(3)輸出信號頻率和帶寬：1.8 GHz@1 GHz；

(4)輸入輸出駐波比：≤2；

(5)通道總增益：60 dB±2 dB；

(6)輸出P-1：≥5 dBm；

(7)功率調整范圍：≥75 dB；

(8)噪聲系數(shù)：≤9 dB；

(9)雜散抑制：≥45 dBc；

(10)通道間幅度一致性：≤±2 dB。

1.2 頻率源指標

頻率源包括為接收通道提供本振信號的一、二本振及用于自校準的本振源，除輸出頻率不同外，其余技術指標均相同，如下所示：

(1)控制步進：10 MHz；

(2)頻率誤差：≤±0.2 MHz；

(3)輸出功率：0 dBm～5 dBm；

(4)相位噪聲：10 kHz、100 kHz 處不大于-80 dBc/Hz；

(5)雜散抑制：≥50 dBc；

(6)跳頻響應時間：≤25 μs。

2 超寬帶接收組件電路設計

2.1 電路方案設計

由于本設計中射頻接收為超寬帶接收，中頻頻率為1.8 GHz 的較低頻率，要求增益高、雜散抑制高且噪聲系數(shù)低，因而采用超外差式二次變頻結構較易實現(xiàn)。傳統(tǒng)的超寬帶接收組件采用較低的本振信號與接收射頻信號進行混頻[12]，由于本振信號頻率與射頻信號頻率間隔較近，低階組合干擾容易混入中頻帶內而難以通過濾波器濾除。本設計采用毫米波高本振信號進行兩次混頻，單個接收通道的具體功能框圖如圖1 所示。全頻帶射頻信號統(tǒng)一與寬帶一本振信號22.8 GHz～40 GHz 進行第一次混頻，電路結構相對簡單，寬帶設計壓力較小。一中頻信號22 GHz±0.5 GHz 與二本振信號20.2 GHz 進行第二次混頻，得到1.8 GHz±0.5 GHz 的中頻信號然后輸出至信號處理模塊。

圖1 單個接收通道功能框圖

預選濾波器頻段劃分如表1 所示，每一段均為亞倍頻程濾波，利于濾除自身諧波，從而減小組合干擾。傳統(tǒng)的開關濾波器采用分離的濾波器單元組合而成，不利于實現(xiàn)組件的小型化。本文采用定制的開關濾波器單片電路來實現(xiàn)，其體積僅為3.5 mm×5 mm×0.1 mm，帶外抑制度為25 dB，可采用兩級開關濾波器來實現(xiàn)更好的抑制效果。

表1 預選濾波器頻段劃分 (GHz)

2.2 關鍵指標分析

對于超寬帶接收組件，全頻帶的增益平坦度、噪聲系數(shù)和雜散抑制為最難實現(xiàn)的指標，直接影響系統(tǒng)的使用性能，因此需著重考慮。采用Cascade 軟件對鏈路進行仿真分析，選擇射頻信號范圍的最低頻率0.8 GHz 和最高頻率18 GHz 為典型值來進行仿真，得到鏈路指標分別如圖2 和圖3 所示。圖中左側第一列數(shù)據(jù)為鏈路級聯(lián)指標，第二列數(shù)據(jù)為選中的某一級器件指標。利用仿真結果可對鏈路的增益、噪聲系數(shù)、輸出P-1等指標進行分析。

2.2.1 噪聲系數(shù)分析

由噪聲系數(shù)級聯(lián)公式可知，鏈路前幾級器件的噪聲特性決定了總的噪聲系數(shù)。射頻信號輸入端除了必不可少的限幅器和開關，第三級器件為一開關低噪放多功能芯片，用來實現(xiàn)大動態(tài)范圍和低噪聲輸出功能的靈活切換。大信號輸入時，多功能芯片切換為直通通道工作；小信號輸入時，切換為低噪放通道工作，從而保證了通道具有較低的噪聲系數(shù)。由圖2 和圖3 的仿真結果可知，接收組件的噪聲系數(shù)不大于8.1 dB，滿足指標要求。

2.2.2 增益及增益調節(jié)分析

本設計選用具有良好寬帶頻響特性的限幅器、開關、低噪放和混頻器等器件，同時在關鍵器件間放置可調衰減片、寬帶均衡器和溫補衰減器，來保證鏈路具有良好的增益平坦度和溫度穩(wěn)定性。由圖2 和圖3 的仿真結果可知，接收組件增益為59.6 dB～61.3 dB，滿足增益指標要求。

圖2 0.8 GHz 鏈路仿真結果

圖3 18 GHz 鏈路仿真結果

在射頻鏈路上設置三級數(shù)控衰減器來實現(xiàn)不低于75 dB 的功率調整功能，數(shù)控衰減量分別為20 dB、31 dB、35 dB，總衰減量為86 dB，滿足增益調節(jié)指標要求。

2.2.3 雜散抑制分析

變頻組件中最主要的雜散來源為組合干擾。第一次混頻后的一中頻為22 GHz，帶寬為1 GHz，因此射頻信號按1 GHz 帶寬逐次分析，本振頻率設置為射頻頻段中心頻點對應的本振。根據(jù)鏈路混頻關系，可計算出每次混頻時落入中頻帶內的組合干擾如表2、表3 所示。

表2 第一次混頻雜散信號

表3 第二次混頻雜散信號

由以上分析結果可知，第一次混頻時，在fIF1±500 MHz帶內有-2 fRF+fLO和2 fRF的混頻組合干擾信號，第二次混頻帶內沒有組合干擾信號出現(xiàn)。

混頻器輸出帶內雜散無法通過濾波器濾除，只能靠混頻器本身對組合信號產(chǎn)生抑制。第一次變頻選用的混頻器對-2 fRF+fLO、2 fRF組合干擾信號抑制達50 dBc 以上，因此預計雜散抑制可以滿足指標要求。

2.3 頻率源設計

2.3.1 本振源設計

二本振為20.2 GHz 固定本振，采用定制的微封裝鎖相源，5 V 單電源供電，其外形尺寸僅為15 mm×12 mm×3.1 mm。

一本振為毫米波高本振，其原理框圖如圖4 所示，采用鎖相源+倍頻電路+開關濾波放大電路的方式實現(xiàn)。

圖4 一本振原理框圖

2.3.2 校準源設計

鎖相環(huán)對100 MHz 參考信號和VCO 的分頻信號進行鑒相，環(huán)路鎖定后，VCO 可以輸出穩(wěn)定的10 GHz～20 GHz信號，然后通過開關進行直通輸出或分頻輸出就可得到0.8 GHz～18 GHz 的寬帶校準信號，其原理框圖如圖5所示。

圖5 校準源原理框圖

2.4 電路自校準功能設計

本設計利用ADC 對末級處的DLVA 輸出電壓進行采集，進而計算出不同頻點處的鏈路增益，然后控制射頻鏈路上預留的大步進和小步進數(shù)控衰減器，可有效改善增益平坦度以及兩通道間的幅度一致性。

鏈路射頻輸入端設計了SP3T 開關，可根據(jù)用戶需求選擇外置信號源或內置自檢源進行自校準，校準完成后將數(shù)控衰減碼值進行存儲，每次上電進行調用即可。通過該功能的設計，接收組件基本可以做到免調試，具備良好的批生產(chǎn)性。

2.5 電路小型化設計

該超寬帶接收組件需要在有限的體積內集成2 通道接收電路、2 個本振源、自檢源、100 MHz 晶振以及數(shù)字采集及控制電路等。組件的腔體正面為微波電路，腔體反面為兩層控制電路。第一層控制電路包含開關驅動器、電源變換和分配、晶振功分等功能電路。該層電路通過腔體上的通孔與微波電路進行互聯(lián)，實現(xiàn)控制和供電，摒棄了雙面互聯(lián)必需的玻璃絕緣子，可有效減小腔體的厚度及橫向尺寸。第二層控制電路包含主控FPGA及其外圍電路，與第一層控制電路采用柔性電路板進行連接。

射頻連接器采用SSMP，低頻連接器采用J55A 超小型矩形連接器；鏈路上采用了較多的多功能芯片，包括開關濾波器、數(shù)控衰減低噪放芯片、濾波衰減混頻芯片等，混頻后的中頻濾波器均選用MEMS 或MMIC 濾波器，從而實現(xiàn)電路的高集成和小型化設計。

該組件外形如圖6 所示，組件尺寸為145 mm×80 mm×20 mm。

圖6 接收組件外形圖

3 實驗結果與討論

組裝完成后的實物如圖7 所示。

圖7 接收組件實物照片

接收組件各頻點增益和輸出P-1測試結果分別如圖8(a)和圖8(b)所示，增益范圍為59.1 dB～61.6 dB，輸出P-1范圍為7.1 dBm～8.9 dBm。

圖8 增益和輸出P-1 測試結果

接收組件各頻點噪聲系數(shù)和雜散抑制測試結果分別如圖9(a)和圖9(b)所示，噪聲系數(shù)不大于8.9 dB，雜散抑制大于46 dBc。

圖9 噪聲系數(shù)和雜散抑制測試結果

所有主要技術指標測試結果匯總于表4，各項指標均達到了預定設計要求。

表4 主要技術指標測試結果及符合性

4 結論

本文討論了超寬帶接收組件進行小型化設計的問題，綜合考慮性能和成本等因素，基于毫米波高本振的二次變頻超外差架構，采用高集成度的開關濾波器等多功能芯片，實現(xiàn)了頻率覆蓋0.8 GHz～18 GHz 的小型化超寬帶接收組件，主要性能指標滿足要求。

該小型化超寬帶接收組件與已發(fā)表的同類型組件相比，內部除了集成了兩個獨立接收通道，還包含變頻所需的本振源、校準源和自校準采集電路。利用內部校準源產(chǎn)生信號，通過ADC 采集DLVA 電壓進而調節(jié)數(shù)控衰減器的方式，優(yōu)化雙通道增益及一致性指標，基本可以做到免調試，提高了生產(chǎn)效率。