S波段小型化接收通道設計

石 超，王喬楠，王元佳，任玉興(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引 言

在航空、航天技術突飛猛進的今天，平臺裝機設計不斷增加空間、重量、功耗要求，與航行速度、續航時間的矛盾非常突出，對航空裝備輕量化、小型化的設計需求強烈[1]。要實現電路整體設計的小型化，就要從復雜、繁瑣的級聯電路設計中解脫出來。本文利用薄膜體聲波諧振(FBAR)濾波器、聲表面波(SAW)濾波器、微波單片集成電路(MMIC)有源芯片微組裝薄膜工藝來實現通道小型化，最后對該接收通道進行測試，性能滿足指標要求。

1 電路原理

1.1 電路原理及主要技術指標

本文采用薄膜混合集成電路設計實現工作頻率2 492 MHz±6 MHz的小型化接收前端。指標要求如下：

(1) 本振(LO)頻率2 382 MHz；

(2) 射頻(RF)頻率2 492 MHz±6 MHz；

(3) 中頻(IF)頻率110 MHz±6 MHz；

(4) RF功率-130 dBm～-55 dBm；

(5) 增益≥50 dB；

(6) 噪聲系數≤3.0 dB；

(7) 中頻端口對本振抑制≥55 dBc；

(8) 鏡像抑制≥70 dBc；

(9) 中頻信號諧波抑制≥40 dBc；

(10) 輸出三階截點≥30 dBm；

(11) 當1 615 MHz干擾信號以15 dBm輸入時，保證低噪聲放大器線性工作。

1.2 設計方案

S波段接收模塊主要由兩級FBAR濾波器、一級射頻低噪聲放大器芯片、混頻器、三級中頻放大器芯片及聲表SAW濾波器芯片構成。FBAR濾波器體積大小為1.0 mm×1.0 mm×0.4 mm，比傳統介質濾波器體積小幾十倍，如圖1所示。低噪聲放大器芯片尺寸為2.6 mm×1.2 mm×0.2 mm，如圖2所示。

利用微組裝薄膜工藝，將芯片用導電膠粘接到薄膜基片上，輸入輸出用金絲鍵合將芯片互連。注意鍵合金絲的條數與跨距，一般低于8 GHz以下，鍵合金絲條數一般為2根，更高頻率采用3根甚至4根金絲[2]。該模塊的作用是對從天線接收過來的微弱射頻信號放大、變頻成中頻信號，再放大及抑制干擾信號，接收模塊原理圖見圖3。為了讓各個模塊間匹配更加良好，在模塊間加一些寬帶衰減器，同時也可以起到調節增益大小的作用。

圖1 FBAR濾波器芯片

圖2 低噪聲放大器芯片

圖3 接收模塊原理圖

2 接收通道主要指標設計分析

2.1 靈敏度與噪聲系數設計分析

靈敏度是衡量接收機檢測弱小信號能力的重要指標[3]。接收通道靈敏度計算公式為：

Smin=-174+10lgB+Fn+σSNR

(1)

式中：Smin為靈敏度，單位為dBm；B為中頻帶寬，單位Hz；Fn為噪聲系數，單位dB；σSNR為檢波識別門限(S/N)/N，單位為dB。

由公式可知，接收通道靈敏度主要由噪聲系數和中頻帶寬決定。一般系統中，中頻帶寬都是固定的參數，所以只有減小噪聲系數才是提高靈敏度的有效方法。

噪聲系數是表征接收通道元件內部的輸入和輸出之間的信噪比遞降的一種量度。由于接收通道由濾波器、放大器和混頻器等組成，級聯電路的噪聲系數就是接收通道的總噪聲系數。

計算總噪聲系數公式為：

Nf=Nf1+Nf2-1/G1+Nf3-1/G1G2+…

(2)

從公式可以看出，當G1很大時，總噪聲系數取決于Nf1。對于無源器件，插入損耗即代表該器件噪聲系數。低噪聲放大器是實現接收通道低噪聲系數的關鍵器件。低噪聲放大器要有低的噪聲系數、較大的增益，這些對于總噪聲系數起決定性作用。

在本方案設計中，由于要使得該模塊小型化，采用自主設計的FBAR濾波器。該濾波器插入損耗為1.5 dB，如圖4所示。該圖是由實測的S2P文件仿真出的結果。

圖4 FBAR濾波器技術指標

低噪聲放大器芯片采用BW276，噪聲系數為0.8 dB，如圖5所示。增益為28 dB，如圖6所示。

圖5 BW276噪聲系數

圖6 BW276增益

表1為接收通道器件的選擇。

通過軟件計算得出總噪聲系數為2.54 dB，理論值滿足指標要求，見圖7。

2.2 干擾信號與鏡像頻率信號設計分析

當一個強干擾信號進入接收機輸入端后，假如輸入端口電路抑制不良，會使前端電路內的放大器工作于嚴重的非線性區域，甚至完全破壞放大器的工作狀態，使輸出信噪比大大下降。當信號過強時，可能導致放大器正常工作狀態被破壞，產生了完全堵死的阻塞現象[4]。

表1 為接收通道器件參數

圖7 噪聲系數、增益及三階截點圖

由于接收前端有干擾信號功率在15 dBm，并且保證低噪聲放大器線性工作，所以在低噪聲放大器前端加入帶通濾波器來抑制這個干擾信號。由于低噪聲放大器增益為28 dB，輸出1 dB壓縮點功率為12 dBm，所以要保證濾波器對1 615 MHz抑制為30 dBc以上，低噪聲放大器才會線性工作。選用FBAR濾波器，該濾波器面積大小為1.0×1.0 mm2。由于該波段可以用介質濾波器和聲表濾波器，但是它們的面積都遠遠超過FBAR濾波器大小。實測FBAR濾波器指標為：對1 615 MHz抑制為37 dBc，如圖4所示。當15 dBm干擾信號進入后，放大器也會正常線性工作。

本方案采用超外差結構接收模式，該結構通過選擇適當的濾波器獲得極佳的靈敏度和選擇性。最大的特點是組合干擾頻率比較多，最嚴重的是鏡像頻率干擾。本文選用的濾波器對2 272 MHz鏡像頻率抑制為35 dBc以上，如圖4所示。兩級鏡頻濾波器對鏡像頻率抑制能夠達到70 dBc以上。

2.3 輸出三階截點分析設計

接收通道由濾波器、放大器及混頻器等多級模塊構成，每一級模塊都在一定程度上存在著非線性失真。接收通道的非線性失真一般用三階互調截點來描述。因此，提高接收通道的線性度主要就是提高接收通道的三階截點。接收通道的三階截點與各級模塊的三階截點、增益等指標存在一定的制約關系。

此接收通道總的三階互調截點IIP3公式為：

1/IIP3=1/(IIP3)1+G12/(IIP3)2+(G1G2)2/(IIP3)3+…

(3)

式中：IIP3為接收通道的三階互調截點[5]；(IIP3)1和G1分別為第1級電路的三階互調截點及增益；(IIP3)2和G2分別為第2級電路的三階互調截點及增益；(IIP3)n和Gn為第n級電路的三階截點及增益。

由公式可知，要改善接收通道三階互調截點，必須提高各級模塊的三階互調截點。當各級模塊三階互調截點一定的情況下，還可以通過適當改變各級的增益來提高接收通道的三階互調截點。

由于增益要求大于50 dB，考慮到混頻的變頻損耗10 dB、中頻聲表濾波器的插入損耗14 dB，同時要兼顧輸出三階截點的要求，選用HITTITE公司生產的HMC128混頻器芯片和安華高的中頻放大器芯片。第1級中頻放大器為ABA-31000，增益為18 dB，輸出三階截點為18 dBm；第2級中頻放大器為ABA-32000，增益為18 dB，輸出三階截點為28 dBm；末級放大器為ABA-62563，增益為18 dB，輸出三階截點為34 dBm。通過計算，結果見圖7，通道的增益為55 dB，輸出三階截點為33 dBm，滿足指標要求。

2.4 腔體分析設計

為了避免外界環境對器件性能的影響，一般設計腔體來保護器件[6]。在射頻電路中，一個封閉的腔體管殼相當于諧振腔。因此在設計腔體時，要避免腔體在放大器的工作頻率范圍內產生諧振導致放大器自激。如果一個腔體內放大器的總增益超過40 dB，就會很容易引起放大器自激。若腔體的長、寬、高分別為l，a，b并滿足l>a>b時，可以得到諧振條件為：

(4)

式中：p為諧振波沿諧振腔縱向分布的半駐波數；λp0為諧振腔波長。

λp0與工作波長λ0的關系為：

(5)

(6)

式中：λc為截止波長；m,n=0,1,2…。

將式(4)和式(5)代入式(6)得：

(7)

給定腔體下的諧振頻率不止一個，而有無限多個。設計腔體管殼大小要使諧振腔的諧振頻率遠離器件的工作頻率。本方案中管殼大小為28 mm×20 mm×4 mm，通過軟件仿真計算該管殼諧振頻率為9.2 GHz左右，見圖8。本文中選擇的放大器在該頻率點的總增益已經遠遠小于40 dB，所以這個接收通道輸出端口不會因為諧振而自激。

圖8 管殼諧振仿真圖

3 測試結果與分析

采用矢量網絡分析儀、噪聲系數分析儀等設備對多套模塊進行測試，全溫環境下其測試結果如表2所示。

表2 測試結果

由于在電路中加載了溫補衰減器，可使增益值在高低溫環境中保持在53～55 dB之間。噪聲系數2.8 dB與理論計算2.5 dB有區別，經分析由于該模塊所用的管殼為表貼元器件，表貼元器件管腿應

用在高頻率頻段時，插入損耗會更大，所以造成了該模塊噪聲系數變大。接收通道實物圖如圖9所示。

圖9 接收通道實物圖

4 結束語

該模塊設計指標滿足用戶指標要求，利用MMIC和微組裝技術大大減小接收通道的體積，降低雷達體積、重量，提高整機性能、質量和可靠性。隨著單片集成電路技術的迅速發展，高密度、高可靠的微電子技術更能滿足現代化雷達的要求。

[1] 李建森.具有通用性的小型化接收前端設計[D].成都：電子科技大學，2011.

[2] 陳興國.新型的輕小型化雷達接收機的研制[J].電子應用技術，2005(5)：57-59.

[3] 蒲蔚妮.L波段收發組件接收通道的設計分析[J].電子技術與軟件工程(55)：53-55.

[4] 梁博.一種接收超寬射頻信號的方法研究與仿真分析[J].艦船電子對抗，2016，39(2)：41-45.

[5] 黃佳.S波段射頻收發前端的研究與實現[D].成都：電子科技大學，2010.

[6] 汪婷.S波段低噪聲放大器研究與設計[D].南京：南京理工大學，2013.