一種小型化寬帶射頻接收機的設計

胡小蘭 殷軍 陳麗

1引言

微波綜合測試儀在單臺儀器上可完成信號發生、信號分析、頻率測量、功率測量、時域測量、網絡分析和調制域分析等多種儀器功能，各單元既可獨立工作，也可通過軟件組合調度和管理，實現發射機、接收機、T/R組件以及其它各類部件的多參數綜合檢測，由于集成度高，測試功能豐富，是微波測試領域非常受歡迎的測試設備。便攜式微波綜測儀主要用于雷達、電子對抗及通信等復雜電子設備的現場測試維護和故障排除等，對帶寬、輕量化、便攜性需求較高。本文以便攜式微波綜合測試儀項目中信號分析功能為要求，從方案選擇、通道增益以及噪聲系數仿真優化與濾波器的仿真優化等方面介紹了頻率范圍、靈敏度和鏡頻抑制都較高的射頻接收機的設計。

2具體設計要求

①頻率范圍：

30 kHz ～ 26.5 GHz。

②噪聲系數（前放開）：

≤16 dB<7.6 GHz；

≤17 dB 7.6 ～ 13 GHz；

≤19 dB 13 ～ 20 GHz；

≤20 dB 20 ～ 26.5 GHz。

③通道損耗：

6 dB±3 dB<7.6 GHz

10 dB±4 dB 7.6 ～ 13 GHz；

13 dB±4 dB 13 ～ 20 GHz；

16 dB±4 dB 20 ～ 26.5 GHz；

④鏡頻抑制：≤-50 dBc。

⑤重量：≤400 g。

3整體方案設計

由于射頻輸入范圍為30 kHz ～ 26.5 GHz，頻帶寬，為保證鏡頻、中頻等雜散抑制及靈敏度等指標，射頻前端采用多級下變頻的超外差方案。射頻前端主要由衰減器、輸入濾波器和混頻器組成，在高頻印制電路板上實現，相比微波腔體方案，電路板方案體積更小、重量更輕、成本更低、可生產性更好。射頻前端結構上采用外加密封的鋁金屬腔屏蔽，射頻、本振輸入信號和中頻輸出信號采用同軸到微帶轉換連接器，直流偏置和控制信號通過扁平電纜引入，功能電路之間采用金屬墻隔離，金屬墻側壁涂導電膠，金屬腔內加吸波材料，整個射頻接收前端模塊具有良好的EMC特性。

為降低所需的頻率范圍，同時優化混頻方案，提高鏡頻濾波器實現的可行性，30 kHz～26.5 GHz劃分為波段1～3，而波段3又細化為波段3～9，詳細劃分如表1所示。

4設計、仿真與試驗

4.1通道增益指標的分配與仿真

以18 GHz頻段為例，將衰減器、開關等損耗性器件合并為衰減器進行簡化，在混頻器和放大器不壓縮的前提下，前端的衰減應盡量小，放大器應選大增益低噪聲類型，對各部分的損耗和噪聲系數進行指標分配與計算，簡化后的框圖和計算仿真結果滿足設計要求。

4.2鏡頻抑制濾波器的設計與仿真

為了有效抑制鏡像和多重響應，將整個頻段劃分為3個波段分別進行混頻與濾波，1～2波段采用高中頻方案，因為高中頻方案可大大簡化濾波器的設計，第3波段又根據濾波器的帶寬、帶外抑制和制作難度，細化為6個波段進行帶通濾波，在掃頻時通過控制開關進行波段切換和銜接，針對其中的一些波段進一步增加低通或高通濾波電路，加強對鏡頻和干擾信號的抑制。因該濾波器為反射式，其在阻帶頻段中往往產生很強的空間輻射功率，為了有效屏蔽空間輻射和減小占用空間，第3波段采用帶狀線濾波器。因為帶狀線位于內層，有參考平面屏蔽，屏蔽效果更好、輻射更小，其電磁場均勻的分布在導帶的上下兩側，受到的干擾也小，不需要額外設計屏蔽結構，在印制板上節省出大量空間。從采用8層RO4003C印制板制作的18 ～ 21 GHz帶狀線帶通濾波器的實際電路圖、X光照片及插損測試曲線圖中可以看到，插損、帶寬、帶內平坦度都較好，而其鏡頻（10.8 ～13.8 GHz）抑制≥55 dBc，在通路上再適當增加高通濾波，可防止不同批次做板工藝差異帶來的結果差異，保證該指標的多次生產全通過。

4.3低回波損耗過孔設計

由于帶狀線結構對外輻射較小，設計中多采用帶狀線結構，因此需要通過垂直互連（垂直過孔結構）進行換層，在射頻和微波頻段，垂直互連與鄰近的傳輸線間存在不連續性，從而會引起信號反射，隨著頻率的升高，這種不連續性還將呈現出輻射特性，反射和輻射隨著頻率的升高越來越強，會嚴重影響信號的傳輸，甚至在某些頻點會產生諧振，加大對傳輸信號的損耗，所以在設計時不能很好地處理過孔連接問題將對整個電路造成嚴重影響。因此設計中需要將過孔的影響因素降低到最小，為避免“短柱效應”導致阻抗變化劇烈，可將過孔設計為盲孔或埋孔。通過HFSS仿真軟件進行仿真優化設計，優化過程中加入特殊阻抗匹配提高過孔的回波損耗指標。

通過對未經匹配和經過特殊匹配的1～4層的信號傳輸過孔仿真曲線對比，可看出加入特殊阻抗匹配的優化過孔回波損耗指標在26 GHz頻率、28 dB以上，明顯好于一般設計過孔指標，在本設計微帶線到帶狀線的轉換中起到重要作用。

5結束語

本文介紹了一種寬帶射頻接收機設計方法，電路在微波印制板上實現，達到靈敏度高、鏡頻抑制好、體積小、重量輕以及可生產性好等效果。電路已成功運用于某微波綜合測試儀和頻譜分析儀產品，已在現場和外場電子設備的測試中發揮重要作用。