超寬帶變頻組件虛假抑制特性研究

王洪李,荊曉超

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,江蘇 南京 211153)

0 引言

超寬帶變頻組件主要應(yīng)用于電子對(duì)抗領(lǐng)域和雷達(dá)的被動(dòng)接收系統(tǒng)中[1],主要作用是將系統(tǒng)探測到的信號(hào)下變頻到中頻信號(hào),再由后面的數(shù)字部分進(jìn)行處理。為了有效探測信息,需要變頻組件跨多倍頻程工作,同時(shí)具有大瞬時(shí)中頻帶寬和高虛假電平抑制水平。

虛假電平抑制水平是變頻組件的核心技術(shù)指標(biāo),過去主要對(duì)二次變頻方案中的第一次變頻產(chǎn)生的交調(diào)是否落在一中頻帶內(nèi)和二次變頻產(chǎn)生的交調(diào)是否落在二中頻帶內(nèi)進(jìn)行粗略計(jì)算[2-4],難以通用化,在成本和虛假抑制水平需要兼顧時(shí),沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則。

本文介紹了一種二次變頻方案,從目標(biāo)信號(hào)和非目標(biāo)信號(hào)與本振的交調(diào)2個(gè)角度對(duì)變頻組件的虛假抑制特性做了詳細(xì)的分析,給出了二次變頻方案的設(shè)計(jì)原則,降低了變頻組件的設(shè)計(jì)難度,提高了設(shè)計(jì)效率。實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了研究的準(zhǔn)確性和有效性。

1 二次變頻方案的虛假抑制

1.1 二次變頻方案

一種工作頻率覆蓋0.38～18 GHz的超寬帶變頻組件二次變頻方案原理如圖1所示。

圖1 二次變頻方案原理

探測信號(hào)經(jīng)第一混頻器上變頻到一中頻,一中頻濾波器中心頻率為F1,經(jīng)一中頻濾波器濾波后,再經(jīng)第二混頻器下變頻到二中頻,二中頻最大瞬時(shí)帶寬為BW1和BW2(BW1

超寬帶變頻組件的核心技術(shù)指標(biāo)是虛假電平抑制。虛假信號(hào)是指在一本振掃描的過程中,在中頻帶內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)或若干個(gè)信號(hào),但這個(gè)信號(hào)不是與此刻一本振對(duì)應(yīng)的目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的。那么,中頻帶內(nèi)的這個(gè)或若干個(gè)信號(hào)就稱為虛假信號(hào)。

為了提高變頻組件的虛假抑制,首先要分析虛假信號(hào)產(chǎn)生的原因,然后針對(duì)性地解決問題。文章從目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的虛假和非目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的虛假2個(gè)方面對(duì)變頻組件的虛假信號(hào)產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

1.2 目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的虛假

目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的虛假是指進(jìn)入變頻組件的信號(hào)與相應(yīng)的一本振信號(hào)(包括一本振基波)和二本振信號(hào)(包括二本振基波)的交調(diào)落在中頻帶內(nèi)產(chǎn)生的虛假。目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的虛假存在如表1所示的幾種情況。其中,RF為0.38～18 GHz,L01為RF+F1,L02為L01-IF2,二中頻為IF2。

表1 目標(biāo)信號(hào)與本振信號(hào)產(chǎn)生的虛假

RF信號(hào)與一本振的基波和二本振信號(hào)產(chǎn)生的交調(diào)落在二中頻帶內(nèi)。為此,需要提高對(duì)本振基波信號(hào)的抑制,無源倍頻器對(duì)基波的抑制大于30 dBc,三次諧波的抑制大于40 dBc,有源倍頻器對(duì)基波和三次諧波的抑制在10～20 dBc左右,雖然有源倍頻器可以簡化本振鏈路,但無源倍頻器對(duì)基波和三次諧波的抑制更高,可以減小對(duì)倍頻器后濾波器的帶外抑制要求,在對(duì)基波、三次諧波抑制要求比較高的情況下,可以采用開關(guān)濾波器組芯片對(duì)倍頻后的本振信號(hào)進(jìn)行分段濾波。

RF信號(hào)的二倍頻、三倍頻信號(hào)落在二中頻帶內(nèi)。一般情況下,RF經(jīng)第一混頻器的隔離,一中頻濾波器的抑制,泄露到第二混頻器的信號(hào)功率比較小,但在一本振以較大的信號(hào)功率與RF信號(hào)同時(shí)泄露到第二混頻器時(shí),第二混頻器會(huì)產(chǎn)生RF的二倍頻和三倍頻信號(hào),因而造成虛假。當(dāng)RF為0.38～2 GHz時(shí),L01為F1+RF,如果采用BW2帶寬的一中頻濾波器,那么部分一本振信號(hào)將以較大功率泄露到第二混頻器處。因此,當(dāng)RF為0.38～2 GHz時(shí),一中頻應(yīng)采用BW1帶寬的濾波器,這樣可以對(duì)一本振信號(hào)產(chǎn)生足夠的抑制。

當(dāng)RF信號(hào)功率為0 dBm時(shí),在變頻組件的IF端口測得的虛假信號(hào)功率如表2所示。

表2 目標(biāo)信號(hào)與本振信號(hào)產(chǎn)生的虛假

RF信號(hào)與一本振的交調(diào)落在一中頻帶內(nèi)BW2產(chǎn)生虛假,由于一中頻濾波器前后可能存在一中頻放大器,其工作頻率覆蓋BW2。因而,RF信號(hào)與一本振信號(hào)的交調(diào)如果落在一中頻放大器的工作帶內(nèi),一中頻濾波器對(duì)該交調(diào)信號(hào)的抑制作用將會(huì)減弱。RF信號(hào)為F1/2時(shí),第一混頻器產(chǎn)生的二次諧波落在一中頻帶內(nèi)產(chǎn)生虛假,解決方法是增加一個(gè)中心頻率為F2、帶寬BW2的一中頻濾波支路進(jìn)行切換。

1.3 非目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的虛假

非目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的虛假是指進(jìn)入變頻組件的信號(hào)與非相應(yīng)的一本振信號(hào)(包括一本振基波)和二本振信號(hào)(包括二本振基波)的交調(diào)落在中頻帶內(nèi)產(chǎn)生的虛假。非目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的虛假存在如表3所示的幾種情況。

表3 非目標(biāo)信號(hào)與本振信號(hào)產(chǎn)生的虛假

RF為0.33 GHz時(shí),與一本振22.56 GHz的三階交調(diào)落在一中頻帶內(nèi)產(chǎn)生虛假,為此,需要選擇三階交調(diào)抑制盡量高一點(diǎn)的第一混頻器,同時(shí)要求預(yù)選濾波器對(duì)0.33 GHz的帶外抑制要盡可能的高一些。以0.38～0.66 GHz的分段濾波器為例,一般要求,DC～0.33和0.76～18 GHz的帶外抑制大于40 dBc,由于第一混頻器存在一定的三階交調(diào)抑制,一般大于40 dBc。因此,對(duì)濾波器的帶外抑制要求大于20 dBc也可以滿足變頻組件虛假抑制大于45 dBc的指標(biāo)要求。當(dāng)然,由于濾波器存在寄生通道,所以需要級(jí)聯(lián)低通濾波器以共同實(shí)現(xiàn)對(duì)0.76～18 GHz的帶外抑制要求。

RF為1.13 GHz和8 GHz時(shí),RF與一本振基波的交調(diào)信號(hào)落在一中頻帶內(nèi)產(chǎn)生虛假,需要提高變頻組件對(duì)一本振基波信號(hào)的抑制水平。

L01信號(hào)為36.3～37.3 GHz時(shí),其與L02的三階交調(diào)信號(hào)落在中頻帶內(nèi)產(chǎn)生虛假,需要提高一中頻濾波器對(duì)一本振信號(hào)的抑制和第二混頻器的三階交調(diào)抑制,也可以將L02信號(hào)切換為IF2+F1的高本振。

對(duì)于非目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的虛假分析,可以使用ADS軟件輔助計(jì)算,如圖2所示,理論上要計(jì)算L01為任一頻點(diǎn)時(shí),與非目標(biāo)的RF信號(hào)的交調(diào)信號(hào)是否落在中頻帶內(nèi),實(shí)際上,可以在預(yù)選濾波器和對(duì)本振基波的足夠抑制條件下,對(duì)交調(diào)抑制計(jì)算做大幅簡化。

圖2 ADS交調(diào)信號(hào)仿真電路

非目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的虛假還存在一種情況,由于預(yù)選濾波器的插入損耗比較大,為了補(bǔ)償增益,往往在最后輸出一級(jí)放置放大器。放大器產(chǎn)生的二次諧波也會(huì)造成虛假。變頻組件前級(jí)的開關(guān)濾波器組的二次諧波抑制實(shí)測結(jié)果如表4所示。RF信號(hào)功率為0 dBm,在RF為F1/2時(shí),二次諧波抑制為26.5 dBc。

表4 開關(guān)濾波器組的二次諧波抑制

2 測試結(jié)果

測試時(shí),RF頻率范圍為0.38～18 GHz,輸入功率為-10 dBm,與開關(guān)濾波器組級(jí)聯(lián)測試。

超寬帶變頻組件的部分虛假抑制測試結(jié)果如表5所示。

表5 超寬帶變頻組件虛假抑制測試

開關(guān)濾波器組模塊在使用開關(guān)濾波器組芯片時(shí),由于無法分段級(jí)聯(lián)低通濾波器,在切換到2～3.5 GHz時(shí),開關(guān)濾波器組芯片在16 GHz處的抑制只有20 dBc左右,對(duì)應(yīng)表5中的RF為15 GHz時(shí),產(chǎn)生的虛假信號(hào)為2.15 GHz,抑制為47.6 dBc。

在變頻組件的IF端口測得的一本振泄露功率如表6所示,到達(dá)第一混頻器本振端口處的L01信號(hào)功率為13 dBm,表6中的第2列是在一中頻濾波器工作帶寬為BW2下測得的,第3列是在一中頻濾波器工作帶寬為BW1下測得的。

表6 變頻組件中頻IF輸出口本振泄露測試

根據(jù)對(duì)超寬帶變頻組件的測試和分析,可以得到如下設(shè)計(jì)原則。

(1)在不考慮半中頻(F1/2)造成的虛假時(shí),在開關(guān)濾波器組中,0.38～2 GHz分段濾波器使用LC濾波器,2～18 GHz分段濾波器使用開關(guān)濾波器組芯片可以滿足變頻組件虛假抑制大于45 dBc的指標(biāo)要求。

(2)本振放大鏈路上,采用無源倍頻器和帶通濾波器的組合形式,變頻組件的虛假抑制可以滿足大于45 dBc的指標(biāo)要求。

(3)一中頻鏈路上,一中頻濾波器采用腔體濾波器形式,且同時(shí)具有BW1/BW2兩種帶寬時(shí),變頻組件的虛假抑制可以滿足大于45 dBc的指標(biāo)要求。

(4)在考慮半中頻(F1/2)造成的虛假時(shí),需要增加一種中心頻率如F2的一中頻濾波器。

(5)在變頻組件的虛假抑制要求大于50 dBc時(shí),需要對(duì)本振信號(hào)分段濾波,同時(shí)使進(jìn)入第一混頻器的信號(hào)功率控制在-10 dBm以下。

3 結(jié)語

本文以二次變頻超寬帶變頻方案為基礎(chǔ),對(duì)產(chǎn)生虛假的可能性做了全面的分析,最后通過實(shí)測進(jìn)行了驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上,對(duì)變頻組件虛假抑制指標(biāo)與如何改進(jìn)二次變頻方案作了原則性說明,可以提高超寬帶變頻組件的設(shè)計(jì)效率,降低快速評(píng)估虛假抑制特性的難度。