1~18GHz 超寬帶接收下變頻模塊的設(shè)計(jì)研究

王玉紅

（南京航天工業(yè)科技有限公司，江蘇 南京 210001）

當(dāng)前電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中新的威脅不斷出現(xiàn)，偵查監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)偵收的帶寬和動(dòng)態(tài)要求越來(lái)越高。1 ～18GHz 超寬帶接收下變頻模塊將天線(xiàn)偵收的雷達(dá)信號(hào)變頻處理到中頻信號(hào)進(jìn)行處理，是偵查監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能直接影響到整機(jī)的指標(biāo)。本文介紹了一款1 ～18GHz 的超寬帶下變頻模塊的設(shè)計(jì)，在射頻鏈路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，選用集成化及小型化元器件，通過(guò)MCM 提高模塊的可靠性和高集成度。

1 鏈路及原理

偵查監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是電子戰(zhàn)系統(tǒng)的重要組成部分，理想的偵查監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠以較寬的帶寬以及較高的動(dòng)態(tài)和靈敏度信號(hào)，而且具有體積小、重量輕、成本低、功耗小、雜散小的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的1 ～18GHz 超寬帶接收下變頻模塊就具有這些特點(diǎn)。其設(shè)計(jì)的鏈路是接收信號(hào)分為1～6GHz、6 ～18GHz2 個(gè)頻段，分別送入接收下變頻模塊對(duì)應(yīng)端口，對(duì)于1 ～18GHz 頻段的截獲信號(hào)，在每個(gè)通道內(nèi)先進(jìn)行限幅、濾波、低噪聲放大、功率控制、自檢選通后分別用開(kāi)關(guān)濾波濾除諧波及帶外信號(hào)，再與寬帶本振20 ～40GHz 變頻至一中頻22GHz±0.25GHz/0.5GHz后再開(kāi)關(guān)濾波、放大輸出。通過(guò)開(kāi)關(guān)濾波可濾除諧波雜散和交調(diào)信號(hào)。22GHz±0.25GHz/0.5GHz 與本振LO2 信號(hào)23.9GHz 下變頻至中頻信號(hào)1.4 ～2.4GHz，經(jīng)過(guò)濾波、數(shù)控、限幅放大、開(kāi)關(guān)濾波后送至高速A/D 處理。

根據(jù)功能需求，接收下變頻模塊采用如圖1 的原理框圖來(lái)實(shí)施方案。

圖1 接收下變頻原理框圖

2 主要指標(biāo)分析

2.1 噪聲系數(shù)及增益分析

接收下變頻模塊處理小信號(hào)功率范圍為：-75 ～-35dBm，線(xiàn)性輸出功率為-45 ～-5dBm，因此要求整個(gè)鏈路線(xiàn)性增益大于30dB。另為滿(mǎn)足征收信號(hào)靈敏度的要求，模塊的噪聲系數(shù)小于8dB。根據(jù)噪聲理論，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要取決于前級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，在前級(jí)放大前，鏈路的所有損耗都計(jì)入噪聲。因此，為了滿(mǎn)足噪聲指標(biāo)，應(yīng)盡量選用低損耗器件，限幅器、高通濾波器以及單刀雙開(kāi)關(guān)的插損直接影響組件噪聲系數(shù)。而放大器盡量選用低噪聲的芯片是至關(guān)重要的。

該限幅器芯片在1 ～6GHz 帶內(nèi)最大損耗約為0.2dB，6 ～18GHz 帶內(nèi)最大損耗約為0.6dB，考慮集成后的駐波匹配、個(gè)體差異、微帶線(xiàn)損耗等因素，理論計(jì)算時(shí)改器件采用值分別為：0.4dB@1-6GHz，0.8dB@6-18GHz。

高通濾波器損耗最大值為：2.1@1GHz。

單刀雙開(kāi)關(guān)插損特性理論計(jì)算的損耗值為：1.8@6GHz,2.5@18GHz。1 ～6GHz 通道中stage1 的總損耗約為0.4+2.1+1.5=4dB，這將完全疊加到鏈路的噪聲系數(shù)中。

低噪聲放大器，其頻率需要覆蓋1 ～6GHz，噪聲系數(shù)盡量小，增益約20dB 左右，P-1 相對(duì)高點(diǎn)，首先要保證輸入功率為（Pimax-G）dBm 的信號(hào)進(jìn)入放大器時(shí)不會(huì)飽和，其次要保證三階互調(diào)產(chǎn)物盡量小。故所選的低噪聲放大器的增益約為20dB，噪聲系數(shù)最大為2.5dB。

由于空間輻射以及器件特性的限制，衰減動(dòng)態(tài)為60dB 的數(shù)控衰減器單獨(dú)通過(guò)1 個(gè)單片來(lái)實(shí)現(xiàn)比較困難，雖然目前市場(chǎng)上也有60dB 衰減動(dòng)態(tài)的單片，但其性能較差，在寬帶應(yīng)用不太合適。因此我們采用單片加開(kāi)關(guān)切換相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

放大器主要起補(bǔ)償鏈路損耗的作用，一般放大器即可，不做特別要求；由于射頻器件的特性，使得高頻損耗大，低頻損耗小，所以應(yīng)進(jìn)行幅度均衡補(bǔ)償，均衡器就是為達(dá)到這一目的而設(shè)置的，這可以根據(jù)實(shí)際調(diào)整，這里主要考慮數(shù)控衰減器和開(kāi)關(guān)濾波器組的設(shè)計(jì)。前級(jí)為一最大衰減31dB 的單片，后級(jí)用2 只開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)0/30dB切換，級(jí)聯(lián)合成60dB 的衰減動(dòng)態(tài)。這種方式具有寬頻帶下衰減特性好的優(yōu)勢(shì)，其損耗約為3.8@6GHz。

濾波器是射頻系統(tǒng)中不可或缺的器件，它起濾除雜波提取有用信號(hào)的作用。通常選用的濾波器有LC 濾波器、腔體濾波器、介質(zhì)濾波器、聲表面波濾波器、mems 濾波器等，它們各有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。單從濾波器特性上來(lái)說(shuō)，腔體濾波器無(wú)疑是比較好的，但其體積較大。本次設(shè)計(jì)由于受到體積小型化的限制，應(yīng)盡可能少用體積較大的腔體濾波器。本開(kāi)關(guān)濾波器組主要起到預(yù)選濾波的作用，主要是通過(guò)濾波器的選擇完成通帶的劃分，濾除諧波的作用。綜合考慮采用LC+mems 濾波器的方式設(shè)計(jì)SP6T 開(kāi)關(guān)濾波器組。1 ～1.5GHz 和1.5 ～2GHz 采用LC 方式，其他頻率采用mems 濾波器。

綜上各器件，stage3 的增益約為15dB，噪聲系數(shù)大約為9dB。

由于混頻器各端口處于失配狀態(tài)，一般要在輸入輸出端口配上一定的衰減，以改善信號(hào)反射?？紤]到這些，理論計(jì)算中stage4 的損耗約為14dB，噪聲系數(shù)也約為14dB。

stage5 為一中頻環(huán)節(jié)，包含1 個(gè)單刀三擲開(kāi)關(guān)濾波器組，1 只增益補(bǔ)償放大器，1 個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)以及1 個(gè)功分器。跟上述一樣進(jìn)行分析增益約為10dB，噪聲系數(shù)大約為12dB。

Stage6 為混頻器，其損耗約為14dB，故噪聲系數(shù)大約為14dB。

stage7 為二中頻環(huán)節(jié)，二中頻分為2 個(gè)支路，其組成和功能基本相同，僅工作頻率有所不同，為方便分析，這里以第一支路為例說(shuō)明。二中頻第一支路工作頻率為1.4 ～2.4GHz，鏈路組成上包含1 個(gè)帶通濾波器、2 個(gè)補(bǔ)償數(shù)控衰減器、1 個(gè)SPDT 開(kāi)關(guān)濾波器組、1 個(gè)功分器以及若干放大器。通過(guò)適當(dāng)?shù)钠骷x型和設(shè)計(jì)，可以使鏈路噪聲系數(shù)小于5dB。

利用級(jí)聯(lián)系統(tǒng)計(jì)算軟件得出鏈路的噪聲和增益指標(biāo)，可以使1 ～18GHz 鏈路噪聲系數(shù)小于8dB，而增益大于30dB。

2.2 動(dòng)態(tài)范圍分析

整機(jī)要求接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為80dB，即截獲信號(hào)電平為-75dBm ～5dBm。一般地，受到放大器特性的限制，能實(shí)現(xiàn)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)一般為40 ～50dB，當(dāng)大信號(hào)進(jìn)入前端放大器時(shí)，很容易造成飽和。為實(shí)現(xiàn)80dB 動(dòng)態(tài)，必須在接收前端通道中引入手動(dòng)功率控制單元。本設(shè)計(jì)前置低噪聲放大器前后各有1 個(gè)SPDT 開(kāi)關(guān)，共同組成1bit的輸入功率控制電路，為方便說(shuō)明，記這一控制單元為U1；在前端通道中另外再引入1 個(gè)60dB 動(dòng)態(tài)的數(shù)控衰減器，記為U2。假設(shè)前置低噪聲放大器增益為20dB，這2個(gè)功率控制單元工作流程如下：

當(dāng)輸入信號(hào)功率為-75dBm ～-35dBm 時(shí)，U1 單元開(kāi)通放大支路，U2 單元處于無(wú)衰減狀態(tài)；

當(dāng)輸入信號(hào)功率為-55dBm ～-15dBm 時(shí)，U1 單元開(kāi)通放大支路，U2 單元根據(jù)需要置合適的衰減態(tài)；

當(dāng)輸入信號(hào)功率為-35dBm ～+5dBm 時(shí)，U1 單元開(kāi)通直通支路，U2 單元根據(jù)需要置合適的衰減態(tài)。

這樣，通過(guò)控制2 處的衰減就可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)80dB 的征收動(dòng)態(tài)。

2.3 平坦度分析

模塊的線(xiàn)性增益平坦度是一個(gè)很重要的指標(biāo)，眾所周知，任何器件的傳輸特性都是隨頻率變化的，在工作頻率范圍內(nèi)，增益?zhèn)鬏斍€(xiàn)的最大值和最小值的差值即為增益平坦度。影響系統(tǒng)平坦度的因素主要有以下幾個(gè)方面。

獨(dú)立器件自身的增益（損耗）波動(dòng)。任何獨(dú)立器件都存在一定的平坦度波動(dòng)，在多個(gè)器件級(jí)聯(lián)的情況下，這些波動(dòng)將互相疊加，某些頻點(diǎn)加強(qiáng)，某些頻點(diǎn)減弱，這樣使得級(jí)聯(lián)后的總平坦度增大。

不同器件級(jí)聯(lián)時(shí)的駐波匹配。每個(gè)獨(dú)立器件都存在一定的反射駐波，當(dāng)2 個(gè)器件級(jí)聯(lián)時(shí)，反射駐波的大小也決定了級(jí)聯(lián)后的增益波動(dòng)大小。一般地，反射駐波越大，級(jí)聯(lián)的增益波動(dòng)也越大。因此，要改善不同器件間的匹配情況。

環(huán)境溫度。環(huán)境溫度主要影響系統(tǒng)增益的大小，從而影響系統(tǒng)在高溫和低溫時(shí)的工作能力。一般地，高溫增益小，低溫增益大。

為保證模塊的整體平坦度滿(mǎn)足指標(biāo)要求，在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取以下措施。

器件選型。盡量選擇自身平坦度較好、反射駐波小的器件。

在反射駐波較大的2 個(gè)器件之間加入適當(dāng)衰減器，改善匹配，如混頻器前后。在二中頻增加一個(gè)溫度補(bǔ)償衰減器和1 個(gè)平坦度補(bǔ)償衰減器。

溫度補(bǔ)償衰減器用來(lái)減小溫度對(duì)模塊平坦度的影響，針對(duì)不同溫度，設(shè)置衰減器處于不同衰減狀態(tài)，從而使模塊在不同溫度下整體平坦度保持在較小的變化范圍內(nèi)。模塊典型的中頻瞬時(shí)工作帶寬為1GHz，而輸入頻率為一寬帶信號(hào)，任意1GHz 的輸入信號(hào)通過(guò)頻率變換到中頻后，其變頻增益是不同的，平坦度補(bǔ)償衰減器正是為了減小這一變化而設(shè)計(jì)的。通過(guò)軟件編寫(xiě)校正表，可以使寬帶輸入信號(hào)在中頻處理環(huán)節(jié)具有較小的增益變化。

電路中增加均衡器。幾乎所有的射頻器件增益（損耗）隨頻率變化關(guān)系都具有負(fù)斜率的特性，而均衡器具有正斜率特性，可以通過(guò)在電路中增加均衡器來(lái)平衡這種變化，使鏈路的高頻和低頻特性變化較小。

2.4 帶內(nèi)雜散分析

接收下變頻模塊采用二次混頻的超外差接收方式，產(chǎn)生雜散主要在一混頻和二混頻環(huán)節(jié)?；祛l器是1 個(gè)非線(xiàn)性器件，對(duì)fi 和fL2 個(gè)輸入信號(hào)會(huì)產(chǎn)生±m(xù)*fi±nfL 頻率分量，其中只有1 個(gè)分量為有用信號(hào)，其余均為雜散信號(hào)，若不濾除，就會(huì)影響系統(tǒng)工作。由于二混頻的輸入頻率和本振較高，中頻頻率較低，高次交調(diào)分量落在帶內(nèi)的功率很小，因此模塊的雜散主要來(lái)自一混頻環(huán)節(jié)。

欲降低混頻器產(chǎn)生的雜散信號(hào)，可以從以下方面采取措施。

選擇高IP3 的混頻器件；合理選取本振頻率和中頻頻率，將產(chǎn)生的交調(diào)信號(hào)移到帶外，通過(guò)濾波器濾除。

對(duì)于1 ～18GHz 輸入信號(hào)，一混頻是一個(gè)上混頻環(huán)節(jié)，輸入信號(hào)為fi，本振為fl，輸出fo=fl-fi，由于本振頻率比輸入射頻信號(hào)頻率高，本振的多次分量已很高，因此主要考慮的雜散信號(hào)有：

本振頻率的泄漏；fl-2*fi 交調(diào)信號(hào)；

輸入信號(hào)的2 次諧波2*fi。

方案中，為解決10 ～12GHz 信號(hào)二次諧波會(huì)落入21.5 ～22.5GHz 帶內(nèi)的問(wèn)題，特將10 ～12GHz 輸入信號(hào)變頻至25.5 ～26.5GHz，其他頻率均變頻至21.5 ～22.5GHz，只需將中頻濾波器的抑制做好，就可以解決本振頻率和可能產(chǎn)生的交調(diào)等雜散信號(hào)。

綜上，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，選擇合適的混頻器和濾波器可使雜散信號(hào)抑制在指標(biāo)要求范圍內(nèi)。

3 實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)

以下是實(shí)現(xiàn)的各主要指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 實(shí)現(xiàn)的各主要指標(biāo)一覽表

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)要求，接收下變頻組件為模塊化，裝入1 個(gè)機(jī)盒中，根據(jù)機(jī)盒中的預(yù)留空間以及鏈路排布情況，模塊外型設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 接收下變頻模塊外型圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研制的1 ～18GHz 超寬帶接收下變頻模塊，對(duì)模塊的指標(biāo)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵元器件指標(biāo)進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了1 ～18GHz 的超寬帶具有低噪聲、高動(dòng)態(tài)、雜散小、功耗小、重量輕、體積小的特點(diǎn)，并在雷達(dá)偵收監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，實(shí)際測(cè)試的指標(biāo)均滿(mǎn)足技術(shù)使用要求，使用效果較好。