小型化超寬帶偵干一體化射頻變頻系統的設計與實現

尹震峰，干書劍，吳中偉，王 瑾，許 穎

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著技術的進步，現代電子設備朝著低功耗、小型化、寬帶化、多功能化、智能化的方向發展。在這個過程中，射頻變頻系統的小型化至關重要。現在的電子戰系統，先進的高靈敏度、超寬帶、大動態系統的廣泛應用，對小型化超寬帶偵干一體射頻變頻系統提出了迫切的需求。

近年來，隨著單片集成電路(MMIC)、復合微波多層板(MCM-L)、LTCC等技術的發展，微波小型化得到了極大的發展，但是單片集成電路無法集成復雜系統，而傳統復合微波多層板的寬帶工作特性不佳，LTCC的成本又很高，都限制了小型化技術的大規模應用。

本文根據電子戰系統的發展，提出了基于毫米波二次變頻方案、復合銅基微波多層板技術和微波電路多芯片組裝(MCM)等技術實現小型化超寬帶的偵干一體化射頻變頻系統的設計。實際測試表明，該系統具有組件體積小、質量輕、功耗小，下變頻接收動態范圍大，雜波抑制指標高；上變頻諧波抑制好，功率平坦度佳等特點，可滿足現代電子戰系統的需求。

1 主要研究目標

現代電子戰的發展，對偵察干擾一體化提出了越來越迫切的需求。在調研了相關需求和印制板生產廠家，并聯合印制板生產商做了相關可實現性和可靠性的研究工作的基礎上，本文將復合銅基微波多層板技術、MCM微組裝技術，以及毫米波高本振等多種技術相結合，在一個體積不超過100 mm×100 mm×10 mm的組件里，實現18 GHz以內超寬帶的接收、下變頻和上變頻部分。組件下變頻包含功率調理分路、寬帶變頻和中頻處理等部分。上變頻包含基帶處理、寬帶變頻、分路激勵等部分。該組件接收噪聲系數要控制在8 dB以內，接收動態范圍優于80 dB，雜散電平在-40 dBm以上，鏡頻抑制在50 dBc以上，中頻帶外抑制在50 dBc以上。上變頻輸出功率為8～12 dBm，諧波抑制在20 dBc以上，帶內雜散抑制大于30 dBc。

圖2 超寬帶上下變頻組件印制板版圖

2 設計與仿真分析

2.1 實施方案

為實現上述目標，以復合銅基微波多層板一體化集成技術和MCM多芯片裝配技術為基礎，并采用毫米波二次變頻方案，其系統架構如圖1所示。第一級為毫米波跳頻本振，第二級本振為點頻。這種變頻方式在保證下變頻和較低雜散電平的情況下，降低了開關濾波組的要求，只需要濾除其諧波成分，無需采用大尺寸的MEMS濾波器組，故用多功能GaAs開關濾波組芯片即可，尺寸不及MEMS濾波器組的1/8，有利于小型化設計。

圖1 射頻變頻系統原理框圖

為實現接收支路的大動態，在輸入低噪放前端放一級可調數控衰減器，輸入信號經過毫米波跳頻本振變頻到Ku波段，通過濾波器濾除其本振泄漏和鏡像頻率和帶外交調，再通過二本振混頻到中頻，通過濾波放大，通過開關選擇一路輸出-37～-7 dBm，一路輸出-3～-7 dBm信號。

上變頻是將中頻信號上變頻到Ku波段信號，經過濾波放大后再經過毫米波本振變頻到工作頻段，在經過開關濾波組后開關選擇兩路，一路輸出6 GHz以內信號，一路輸出18 GHz以內信號給功放。

2.2 詳細電路設計

為實現該系統的小型化一體化設計，采用復合銅基微波多層板一體化設計，在保證微波性能的前提下，印制板正反面均可以放置元器件和布局走線。由于采用一體化集成技術，其微波傳輸線形式改為CBCPW，采用盒體對電路進行隔離，提高電磁兼容性，其電路版圖如圖2所示。

圖3 18 GHz以內金絲匹配電路仿真模型

圖4 18 GHz以內金絲匹配電路仿真圖

由于采用微組裝工藝裝配，微波器件均為裸芯片，需要金絲鍵和，超寬帶情況下在高頻端容易失配，需要全帶寬匹配。設計中采用T型節對18 GHz以內的全帶寬進行金絲模型匹配，其匹配模型如圖3所示。其仿真結果如圖4所示，在18 GHz以內S11在-25 dB以上，單向損耗控制在0.2 dB以內。

在18～40 GHz的情況下，其金絲寄生參量改變，故對其模型進行相應修正，其模型如圖5所示，仿真結果如圖6所示，在18～30 GHz處S11在-15 dB以上，在30～40 GHz處，S11在-30 dB左右，在18～40 GHz帶寬范圍內，損耗控制在0.5 dB。

圖5 18～40 GHz金絲匹配電路仿真模型

圖6 18～40 GHz金絲匹配電路仿真圖

整個組件的尺寸為96 mm×80 mm×10 mm，設計實物如圖7所示，滿足設計需求，對比相同功能的微波混合集成組件，其體積和質量大大減小，在寬帶微波組件的小型化方面實現了突破。

圖7 超寬帶小型化變頻組件實物

3 研究結果

使用頻譜儀、信號源、噪聲系數分析儀等設備搭建測試平臺，對組件進行實測，對比相同功能混合集成微波組件，基本電氣性能滿足一致；在雜波抑制方面，該組件性能更加優異，其上變頻輸出諧波抑制更好。

上變頻18 GHz以內小信號增益范圍是31.8～37.6 dB，波動在5.8 dB以內，最小點是5.2 GHz，最大點是12 GHz；5.2 GHz處增益小是由于6 GHz以內采用了負斜率的放大器，外加本振功率波動；12.4～12.8 GHz處增益突然變小是由于本振功率在這幾個點功率偏小導致的，如圖8所示。

圖8 小信號增益平坦度測試圖

上變頻18 GHz以內全頻段輸出功率范圍是6.9～13.6 dBm，波動在6.7 dB，最小點是16.4 GHz，最大點是2.2 GHz，其實測結果如圖9所示。可以從圖9中看出，6 GHz以下是下降趨勢，主要原因是采用了負斜率的放大器。

18 GHz頻段內諧波抑制基本在20 dBc以上，其實測值如表1所示。

表1 上變頻輸出諧波抑制實測值

中頻泄漏：中頻信號為1.8 GHz、輸入功率為-20 dBm時，中頻泄漏功率為-28 dBm，與主信號的抑制基本在35 dBc以上。

下變頻射頻線性平坦度如圖10所示為8.9 dB左右， 主要原因在于毫米波本振功率下降導致的平坦度惡化，后期改進本振放大器，提高輸出功率改善平坦度。

圖10 下變頻平坦度測試曲線圖

當2 GHz輸入信號功率為10 dBm時，中頻泄漏的2 GHz功率為-57 dBm；存在五階交調，比如二本振的三倍頻和一本振的二倍頻混出信號，其中頻輸出的交調功率為-45 dBm。

4 結束語

采用毫米波二次變頻方案，基于復合銅基微波多層板一體化集成設計和MCM多芯片裝配技術相結合，本文成功實現了典型電子戰需求的18 GHz以內超寬帶小型化偵干一體射頻變頻系統的研制。經測試，該組件在保證基本電氣性能方面與混合集成組件相當，實現了組件小型化的重大突破，整個模塊尺寸為96 mm×80 mm×10 mm。可廣泛應用于電子戰先進超外差接收機以及陣列化的現代電子戰系統中。此外，在該組件小型化技術的研究過程中，對毫米波二次變頻方案、基于復合銅基微波多層板高密度集成和相關電磁兼容技術均做出了有益的嘗試，積累了設計經驗，并取得了良好效果，對后續基于復合銅基微波多層板的微波毫米波高密度集成組件設計也具有較重要的借鑒意義。■