小型化超寬帶接收前端設(shè)計方法詳解

0 引言

隨著無線電通信技術(shù)和綜合電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)對微波接收機的要求向著超寬帶、通用化和小型化方向不斷加深［1-2］。作為微波接收機的核心組成部分，接收前端將天線或天線接口單元輸出的射頻信號轉(zhuǎn)化為信號處理機所需的窄帶中頻信號，其尺寸和性能直接關(guān)系到整個接收機的能力。

目前國內(nèi)的超寬帶小型化接收前端產(chǎn)品受限于低頻段濾波器尺寸，其射頻輸入頻率最低下探至0.4 GHz［3］，中頻輸出頻率大多選擇在1 GHz以上［4］，或是僅針對變頻前的濾波放大電路進行闡述［5］。

本文設(shè)計的小型化超寬帶接收前端采用成熟的、高集成度的多芯片微組裝技術(shù)（Multi-Chip Micro-package，MCM），選用多功能芯片濾波器和小型化LC濾波器，在滿足產(chǎn)品性能要求的前提下大幅縮小產(chǎn)品尺寸。該產(chǎn)品實現(xiàn)了對0.1 GHz~18 GHz微波頻段全覆蓋，易于集成到各種單/多通道微波偵收系統(tǒng)中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 接收前端的技術(shù)要求

接收前端的工作頻段為0.1 GHz~18 GHz，典型增益為35 dB，全頻段增益在±3 dB波動。接收前端要求先進行預(yù)選濾波再進行放大，全溫范圍內(nèi)噪聲系數(shù)要求≤22 dB。輸出中頻中心頻率為140 MHz，具有80 MHz和2 MHz兩種帶寬可選，相應(yīng)的50:3矩形系數(shù)要求分別為≤1.75和≤2.5。輸出P-1≥10 dBm，輸出限幅≤15 dBm，中頻抑制和鏡頻抑制度均≥70 dBc。射頻輸入和中頻輸出端口駐波系數(shù)要求均為≤2.5：1。

2 接收前端的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 電路方案設(shè)計

接收前端電路原理框圖如圖1所示，可劃分為射頻部分與混頻部分兩大部分。

接收前端的射頻部分采用先預(yù)選濾波再放大的電路布局。射頻部分輸入級為手動增益控制（Manual Gain Control，MGC）數(shù)控衰減器，用于大信號時的增益控制，然后通過單刀雙擲開關(guān)分為0.1 GHz~6.2 GHz和6.2 GHz~18 GHz高低兩段。0.1 GHz~6.2 GHz分為10段濾波器進行預(yù)選濾波，并分三段使用低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）進行放大；6.2 GHz~18 GHz分4段濾波器進行預(yù)選濾波并使用LNA進行放大?？偣?4段預(yù)選頻段，除第一段和第二段之外，其余頻段均采用亞倍頻濾波以提高系統(tǒng)抗干擾能力，并在相鄰頻段間保留足夠的頻帶交疊以保證信號完整性。具體預(yù)選頻段劃分如表1所示。

混頻部分電路采用超外差接收架構(gòu)，通過三次變頻方案將0.1 GHz~18 GHz信號下變頻至中心頻率為140 MHz的IF信號。第一級混頻時，將輸入信號根據(jù)頻段變頻為高/低兩種IF1：0.1 GHz~6.2 GHz頻段上變頻至8.2 GHz，6.2 GHz~18 GHz頻段下變頻至4.2 GHz。采用這種變頻方案，第一級本振信號（Local Oscillator，LO）僅需覆蓋8.3 GHz~19.7 GHz，可以降低頻綜的實現(xiàn)難度。兩種IF1通過開關(guān)選擇，在第二次混頻時均與LO2下變頻至頻率為1.2 GHz的IF2，最后通過第三次混頻與LO3下變頻至IF3頻率140 MHz，并使用兩種不同帶寬的濾波器進行帶寬選擇后輸出，送至信號處理系統(tǒng)。

2.2 關(guān)鍵指標(biāo)分析

對于超寬帶接收系統(tǒng)，全頻帶的增益平坦度、中/鏡頻頻率抑制度和組合干擾的抑制度等技術(shù)指標(biāo)實現(xiàn)難度較大，并直接影響系統(tǒng)的使用性能。噪聲系數(shù)本身也是接收系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)，但在本接收前端的應(yīng)用場景中，前級端接了具有一定增益的低噪聲天線接口單元，要求接收前端先進行預(yù)選濾波，因此對噪聲系數(shù)要求較低。

2.2.1 接收前端增益平坦度分析

接收前端頻率覆蓋0.1 GHz~18 GHz，為保證全頻段增益滿足≤±3 dB的平坦度要求，在以下3個方面進行了針對性設(shè)計：

（1）混頻前電路根據(jù)頻率共劃分為4段，每段使用獨立的LNA，如圖1所示，將全頻段增益平坦度指標(biāo)分解至4個相對較易實現(xiàn)的子段增益平坦度指標(biāo)。

（2）選用寬帶性能良好的元器件，并選用均衡器或自帶均衡的放大器對平坦度進行補償。同時在鏈路上預(yù)留溫補衰減器，對高低溫下的增益波動進行補償。

（3）在三次變頻后的IF3放大鏈路上預(yù)留一級MGC，通過數(shù)控增益補償?shù)姆绞剑瑢Σ煌漕l頻率下的增益波動進行補償。

通過上述設(shè)計，可以保證全頻段及全溫范圍內(nèi)增益波動在±3 dB以內(nèi)。

2.2.2 接收前端中/鏡頻頻率抑制度分析

接收系統(tǒng)的中/鏡頻頻率抑制度一般要求至少比系統(tǒng)的動態(tài)范圍大10 dB。中/鏡頻頻率抑制度設(shè)計有兩個要點：（1）正確計算接收系統(tǒng)各級的中/鏡頻頻率；（2）根據(jù)頻率合理規(guī)劃各級濾波器的帶外抑制度。

本文設(shè)計的接收前端首先根據(jù)變頻方案計算第一級、第二級和第三級中頻頻率和鏡頻頻率，包括可能間接產(chǎn)生第二級或第三級中/鏡頻信號的頻率，然后將對計算得到的各種頻率的抑制度指標(biāo)分配至各級帶通濾波器和低通濾波器中，并在設(shè)計時預(yù)留足夠的余量，確保最終的中/鏡頻頻率抑制度滿足≥70 dBc的指標(biāo)要求。

2.2.3 接收前端組合干擾的ADS仿真

上節(jié)提到的中/鏡頻頻率屬于最顯而易見的干擾來源，但在寬帶接收系統(tǒng)的使用中，還可能會出現(xiàn)各種其他的、在設(shè)計時不易發(fā)現(xiàn)的干擾來源，如各級LO信號間的頻率組合，或是特定頻率RF信號和LO信號的高階組合等，統(tǒng)稱為組合干擾［6］。在接收前端設(shè)計時，為消除組合干擾的影響，實現(xiàn)對組合干擾的抑制，首先需要確定存在哪些組合干擾。本文在完成電路方案設(shè)計和元器件選型后，使用AdvancdDesign System（ADS）仿真軟件全鏈路S參數(shù)仿真，對組合干擾進行了分析和排除［7-8］。鏈路仿真模型如圖2所示。

該模型將接收前端中關(guān)鍵元器件（濾波器、放大器等）的S21實測數(shù)據(jù)代入仿真，模擬接收系統(tǒng)的工作模式，使用固定LO改變RF和固定RF改變LO兩種方式來尋找干擾點。通過這種方式，在電路實施前定位了數(shù)種在方案設(shè)計時難以發(fā)現(xiàn)的組合干擾，并通過優(yōu)化電路方案和元器件參數(shù)將其排除。

該仿真方法確認(rèn)的組合干擾抑制度與實物相差在10 dB以內(nèi)，可精確指導(dǎo)接收前端的設(shè)計與實現(xiàn)。同時該模型還用于接收前端增益平坦度的仿真設(shè)計。

2.3 接收前端小型化設(shè)計

在結(jié)構(gòu)上，采用正反兩面布局，正面為射頻鏈路，背面為電源與控制電路，通過合理規(guī)劃兩面的腔體深度，將模塊總厚度控制在9.5 mm，便于系統(tǒng)集成；射頻接插件選用SMP型超小型推入式射頻同軸連接器，低頻接插件選用J63A型微矩形電連接器，均具有體積小、重量輕、抗振性能優(yōu)越等特點。

射頻鏈路部分，選用全芯片方案，通過MCM工藝實現(xiàn)芯片器件與微帶線之間的連接。射頻腔體采用兩層蓋板設(shè)計，內(nèi)層蓋板使用沉頭螺釘鉗裝固定，提高傳輸線之間的隔離度，并確保腔體不會產(chǎn)生可能影響性能的諧振；外層蓋板使用激光縫焊，保證射頻部分的氣密性。

濾波器的小型化是超寬帶接收前端的重點與難點。本文設(shè)計的接收前端，0.8 GHz~18 GHz頻段選用了3片MMIC開關(guān)濾波芯片作為預(yù)選濾波器，每片開關(guān)濾波芯片內(nèi)部集成了兩個開關(guān)和數(shù)個濾波器，3片共集成了10段濾波器；對于開關(guān)濾波芯片暫時無法覆蓋的0.1 GHz~0.8 GHz頻段預(yù)選濾波，選用了3個小型化LC濾波器來實現(xiàn)，該LC濾波器使用定制的芯片電容和繞線電感，在9 mm×5 mm×2 mm體積內(nèi)實現(xiàn)了常規(guī)LC濾波器的性能。IF2和80 MHz帶寬的IF3帶通濾波器也使用了這種形式的LC濾波器。其他濾波器選用了MEMS帶通濾波器、MMIC高/低通濾波器和窄帶聲表面波濾波器等。

3 接收前端實物與指標(biāo)測試結(jié)果

小型化超寬帶接收前端實物如圖3和圖4所示。接收前端的RF輸入、IF輸出端口和低頻J63A端口位于圖3的左側(cè)窄邊，3路LO輸入端口位于右側(cè)窄邊，上述接口布局與左右兩側(cè)，易于系統(tǒng)集成。上下兩側(cè)的接口為調(diào)試端口，可與第一級混頻器前的電路相連，便于調(diào)試寬帶電路平坦度，調(diào)試完成后與內(nèi)部電路斷開。

由于接收前端工作頻帶較寬，覆蓋多個倍頻程，因此測試時，首先使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀從調(diào)試端口對混頻前的直通鏈路進行測試，調(diào)試并確定各個頻段的增益平坦度補償量，部分頻段測試結(jié)果如圖5所示。

將通路從調(diào)試端口切換至變頻部分，使用多臺信號源和頻譜分析儀對增益補償后的全鏈路的各項技術(shù)指標(biāo)進行測試，測試結(jié)果如表2所示。

接收前端增益通過數(shù)控衰減器進行補償，大幅降低了超寬帶模塊全頻段增益平坦度指標(biāo)的調(diào)試難度；通過合理設(shè)計，實現(xiàn)了端口駐波的免調(diào)試；其余各項指標(biāo)，根據(jù)首件的調(diào)試結(jié)果，確定了后續(xù)產(chǎn)品的各調(diào)試點的元器件參數(shù)。經(jīng)過成功批量生產(chǎn)，驗證了該接收前端具備免調(diào)試能力，僅需測試人員或自動測試系統(tǒng)對指標(biāo)進行測試即可，具備良好的可生產(chǎn)性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種小型化超寬帶接收前端，內(nèi)部集成了多種MMIC器件和小型化濾波器，工作頻率覆蓋整個0.1 GHz~18 GHz，尺寸僅為119 mm×61 mm×9.5 mm，可供各類通信/微波偵收項目使用。該模塊采用了數(shù)控增益補償?shù)姆绞?，解決了超寬帶模塊增益平坦度調(diào)試難度大的問題，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)的免調(diào)試，大幅提高了生產(chǎn)效率并降低了生產(chǎn)成本。該超寬帶通用化小型化接收前端已成功應(yīng)用于多個超寬帶微波通信信號偵收系統(tǒng)中，充分驗證了設(shè)計的可靠性，未來還將在各類超寬帶偵收系統(tǒng)中廣泛使用。

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