小型化超寬帶接收前端設(shè)計(jì)方法詳解

0 引言

隨著無(wú)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(duì)微波接收機(jī)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(jī)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(hào)轉(zhuǎn)化為信號(hào)處理機(jī)所需的窄帶中頻信號(hào)，其尺寸和性能直接關(guān)系到整個(gè)接收機(jī)的能力。

目前國(guó)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(duì)變頻前的濾波放大電路進(jìn)行闡述［5］。

本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(dòng)。接收前端要求先進(jìn)行預(yù)選濾波再進(jìn)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 電路方案設(shè)計(jì)

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(jí)為手動(dòng)增益控制（Manual Gain Control，MGC）數(shù)控衰減器，用于大信號(hào)時(shí)的增益控制，然后通過(guò)單刀雙擲開(kāi)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(jìn)行預(yù)選濾波，并分三段使用低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）進(jìn)行放大；6.2 GHz~18 GHz分4段濾波器進(jìn)行預(yù)選濾波并使用LNA進(jìn)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(hào)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(guò)三次變頻方案將0.1 GHz~18 GHz信號(hào)下變頻至中心頻率為140 MHz的IF信號(hào)。第一級(jí)混頻時(shí)，將輸入信號(hào)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(jí)本振信號(hào)（Local Oscillator，LO）僅需覆蓋8.3 GHz~19.7 GHz，可以降低頻綜的實(shí)現(xiàn)難度。兩種IF1通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇，在第二次混頻時(shí)均與LO2下變頻至頻率為1.2 GHz的IF2，最后通過(guò)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(jìn)行帶寬選擇后輸出，送至信號(hào)處理系統(tǒng)。

2.2 關(guān)鍵指標(biāo)分析

對(duì)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(shí)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(chǎng)景中，前級(jí)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(jìn)行預(yù)選濾波，因此對(duì)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(gè)方面進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)：

（1）混頻前電路根據(jù)頻率共劃分為4段，每段使用獨(dú)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(gè)相對(duì)較易實(shí)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(duì)平坦度進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)在鏈路上預(yù)留溫補(bǔ)衰減器，對(duì)高低溫下的增益波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）在三次變頻后的IF3放大鏈路上預(yù)留一級(jí)MGC，通過(guò)數(shù)控增益補(bǔ)償?shù)姆绞?，?duì)不同射頻頻率下的增益波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，可以保證全頻段及全溫范圍內(nèi)增益波動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍大10 dB。中/鏡頻頻率抑制度設(shè)計(jì)有兩個(gè)要點(diǎn)：（1）正確計(jì)算接收系統(tǒng)各級(jí)的中/鏡頻頻率；（2）根據(jù)頻率合理規(guī)劃各級(jí)濾波器的帶外抑制度。

本文設(shè)計(jì)的接收前端首先根據(jù)變頻方案計(jì)算第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)中頻頻率和鏡頻頻率，包括可能間接產(chǎn)生第二級(jí)或第三級(jí)中/鏡頻信號(hào)的頻率，然后將對(duì)計(jì)算得到的各種頻率的抑制度指標(biāo)分配至各級(jí)帶通濾波器和低通濾波器中，并在設(shè)計(jì)時(shí)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(jiàn)的干擾來(lái)源，但在寬帶接收系統(tǒng)的使用中，還可能會(huì)出現(xiàn)各種其他的、在設(shè)計(jì)時(shí)不易發(fā)現(xiàn)的干擾來(lái)源，如各級(jí)LO信號(hào)間的頻率組合，或是特定頻率RF信號(hào)和LO信號(hào)的高階組合等，統(tǒng)稱為組合干擾［6］。在接收前端設(shè)計(jì)時(shí)，為消除組合干擾的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)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(duì)組合干擾進(jìn)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(shí)測(cè)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(lái)尋找干擾點(diǎn)。通過(guò)這種方式，在電路實(shí)施前定位了數(shù)種在方案設(shè)計(jì)時(shí)難以發(fā)現(xiàn)的組合干擾，并通過(guò)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(shí)物相差在10 dB以內(nèi)，可精確指導(dǎo)接收前端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。同時(shí)該模型還用于接收前端增益平坦度的仿真設(shè)計(jì)。

2.3 接收前端小型化設(shè)計(jì)

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(guò)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(diǎn)。

射頻鏈路部分，選用全芯片方案，通過(guò)MCM工藝實(shí)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(jì)，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(huì)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(diǎn)與難點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的接收前端，0.8 GHz~18 GHz頻段選用了3片MMIC開(kāi)關(guān)濾波芯片作為預(yù)選濾波器，每片開(kāi)關(guān)濾波芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)開(kāi)關(guān)和數(shù)個(gè)濾波器，3片共集成了10段濾波器；對(duì)于開(kāi)關(guān)濾波芯片暫時(shí)無(wú)法覆蓋的0.1 GHz~0.8 GHz頻段預(yù)選濾波，選用了3個(gè)小型化LC濾波器來(lái)實(shí)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(shí)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(shí)物與指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

小型化超寬帶接收前端實(shí)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(jí)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(kāi)。

由于接收前端工作頻帶較寬，覆蓋多個(gè)倍頻程，因此測(cè)試時(shí)，首先使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀從調(diào)試端口對(duì)混頻前的直通鏈路進(jìn)行測(cè)試，調(diào)試并確定各個(gè)頻段的增益平坦度補(bǔ)償量，部分頻段測(cè)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(tái)信號(hào)源和頻譜分析儀對(duì)增益補(bǔ)償后的全鏈路的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

接收前端增益通過(guò)數(shù)控衰減器進(jìn)行補(bǔ)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(guò)合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了端口駐波的免調(diào)試；其余各項(xiàng)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(diǎn)的元器件參數(shù)。經(jīng)過(guò)成功批量生產(chǎn)，驗(yàn)證了該接收前端具備免調(diào)試能力，僅需測(cè)試人員或自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試即可，具備良好的可生產(chǎn)性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)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(gè)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(xiàng)目使用。該模塊采用了數(shù)控增益補(bǔ)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(wèn)題，實(shí)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(gè)超寬帶微波通信信號(hào)偵收系統(tǒng)中，充分驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性，未來(lái)還將在各類超寬帶偵收系統(tǒng)中廣泛使用。

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