1~18GHz 超寬帶接收下變頻模塊的設計研究

王玉紅

（南京航天工業科技有限公司，江蘇 南京 210001）

當前電磁環境日趨復雜，信息化戰爭中新的威脅不斷出現，偵查監測系統對偵收的帶寬和動態要求越來越高。1 ～18GHz 超寬帶接收下變頻模塊將天線偵收的雷達信號變頻處理到中頻信號進行處理，是偵查監測系統的關鍵部件，其性能直接影響到整機的指標。本文介紹了一款1 ～18GHz 的超寬帶下變頻模塊的設計，在射頻鏈路進行合理設計的基礎上，選用集成化及小型化元器件，通過MCM 提高模塊的可靠性和高集成度。

1 鏈路及原理

偵查監測系統是電子戰系統的重要組成部分，理想的偵查監測系統能夠以較寬的帶寬以及較高的動態和靈敏度信號，而且具有體積小、重量輕、成本低、功耗小、雜散小的特點。本文設計的1 ～18GHz 超寬帶接收下變頻模塊就具有這些特點。其設計的鏈路是接收信號分為1～6GHz、6 ～18GHz2 個頻段，分別送入接收下變頻模塊對應端口，對于1 ～18GHz 頻段的截獲信號，在每個通道內先進行限幅、濾波、低噪聲放大、功率控制、自檢選通后分別用開關濾波濾除諧波及帶外信號，再與寬帶本振20 ～40GHz 變頻至一中頻22GHz±0.25GHz/0.5GHz后再開關濾波、放大輸出。通過開關濾波可濾除諧波雜散和交調信號。22GHz±0.25GHz/0.5GHz 與本振LO2 信號23.9GHz 下變頻至中頻信號1.4 ～2.4GHz，經過濾波、數控、限幅放大、開關濾波后送至高速A/D 處理。

根據功能需求，接收下變頻模塊采用如圖1 的原理框圖來實施方案。

圖1 接收下變頻原理框圖

2 主要指標分析

2.1 噪聲系數及增益分析

接收下變頻模塊處理小信號功率范圍為：-75 ～-35dBm，線性輸出功率為-45 ～-5dBm，因此要求整個鏈路線性增益大于30dB。另為滿足征收信號靈敏度的要求，模塊的噪聲系數小于8dB。根據噪聲理論，系統的噪聲系數主要取決于前級放大器的噪聲系數，在前級放大前，鏈路的所有損耗都計入噪聲。因此，為了滿足噪聲指標，應盡量選用低損耗器件，限幅器、高通濾波器以及單刀雙開關的插損直接影響組件噪聲系數。而放大器盡量選用低噪聲的芯片是至關重要的。

該限幅器芯片在1 ～6GHz 帶內最大損耗約為0.2dB，6 ～18GHz 帶內最大損耗約為0.6dB，考慮集成后的駐波匹配、個體差異、微帶線損耗等因素，理論計算時改器件采用值分別為：0.4dB@1-6GHz，0.8dB@6-18GHz。

高通濾波器損耗最大值為：2.1@1GHz。

單刀雙開關插損特性理論計算的損耗值為：1.8@6GHz,2.5@18GHz。1 ～6GHz 通道中stage1 的總損耗約為0.4+2.1+1.5=4dB，這將完全疊加到鏈路的噪聲系數中。

低噪聲放大器，其頻率需要覆蓋1 ～6GHz，噪聲系數盡量小，增益約20dB 左右，P-1 相對高點，首先要保證輸入功率為（Pimax-G）dBm 的信號進入放大器時不會飽和，其次要保證三階互調產物盡量小。故所選的低噪聲放大器的增益約為20dB，噪聲系數最大為2.5dB。

由于空間輻射以及器件特性的限制，衰減動態為60dB 的數控衰減器單獨通過1 個單片來實現比較困難，雖然目前市場上也有60dB 衰減動態的單片，但其性能較差，在寬帶應用不太合適。因此我們采用單片加開關切換相結合的方式來實現。

放大器主要起補償鏈路損耗的作用，一般放大器即可，不做特別要求；由于射頻器件的特性，使得高頻損耗大，低頻損耗小，所以應進行幅度均衡補償，均衡器就是為達到這一目的而設置的，這可以根據實際調整，這里主要考慮數控衰減器和開關濾波器組的設計。前級為一最大衰減31dB 的單片，后級用2 只開關實現0/30dB切換，級聯合成60dB 的衰減動態。這種方式具有寬頻帶下衰減特性好的優勢，其損耗約為3.8@6GHz。

濾波器是射頻系統中不可或缺的器件，它起濾除雜波提取有用信號的作用。通常選用的濾波器有LC 濾波器、腔體濾波器、介質濾波器、聲表面波濾波器、mems 濾波器等，它們各有應用優勢。單從濾波器特性上來說，腔體濾波器無疑是比較好的，但其體積較大。本次設計由于受到體積小型化的限制，應盡可能少用體積較大的腔體濾波器。本開關濾波器組主要起到預選濾波的作用，主要是通過濾波器的選擇完成通帶的劃分，濾除諧波的作用。綜合考慮采用LC+mems 濾波器的方式設計SP6T 開關濾波器組。1 ～1.5GHz 和1.5 ～2GHz 采用LC 方式，其他頻率采用mems 濾波器。

綜上各器件，stage3 的增益約為15dB，噪聲系數大約為9dB。

由于混頻器各端口處于失配狀態，一般要在輸入輸出端口配上一定的衰減，以改善信號反射。考慮到這些，理論計算中stage4 的損耗約為14dB，噪聲系數也約為14dB。

stage5 為一中頻環節，包含1 個單刀三擲開關濾波器組，1 只增益補償放大器，1 個單刀雙擲開關以及1 個功分器。跟上述一樣進行分析增益約為10dB，噪聲系數大約為12dB。

Stage6 為混頻器，其損耗約為14dB，故噪聲系數大約為14dB。

stage7 為二中頻環節，二中頻分為2 個支路，其組成和功能基本相同，僅工作頻率有所不同，為方便分析，這里以第一支路為例說明。二中頻第一支路工作頻率為1.4 ～2.4GHz，鏈路組成上包含1 個帶通濾波器、2 個補償數控衰減器、1 個SPDT 開關濾波器組、1 個功分器以及若干放大器。通過適當的器件選型和設計，可以使鏈路噪聲系數小于5dB。

利用級聯系統計算軟件得出鏈路的噪聲和增益指標，可以使1 ～18GHz 鏈路噪聲系數小于8dB，而增益大于30dB。

2.2 動態范圍分析

整機要求接收信號的動態范圍為80dB，即截獲信號電平為-75dBm ～5dBm。一般地，受到放大器特性的限制，能實現的瞬時動態一般為40 ～50dB，當大信號進入前端放大器時，很容易造成飽和。為實現80dB 動態，必須在接收前端通道中引入手動功率控制單元。本設計前置低噪聲放大器前后各有1 個SPDT 開關，共同組成1bit的輸入功率控制電路，為方便說明，記這一控制單元為U1；在前端通道中另外再引入1 個60dB 動態的數控衰減器，記為U2。假設前置低噪聲放大器增益為20dB，這2個功率控制單元工作流程如下：

當輸入信號功率為-75dBm ～-35dBm 時，U1 單元開通放大支路，U2 單元處于無衰減狀態；

當輸入信號功率為-55dBm ～-15dBm 時，U1 單元開通放大支路，U2 單元根據需要置合適的衰減態；

當輸入信號功率為-35dBm ～+5dBm 時，U1 單元開通直通支路，U2 單元根據需要置合適的衰減態。

這樣，通過控制2 處的衰減就可以手動實現80dB 的征收動態。

2.3 平坦度分析

模塊的線性增益平坦度是一個很重要的指標，眾所周知，任何器件的傳輸特性都是隨頻率變化的，在工作頻率范圍內，增益傳輸曲線的最大值和最小值的差值即為增益平坦度。影響系統平坦度的因素主要有以下幾個方面。

獨立器件自身的增益（損耗）波動。任何獨立器件都存在一定的平坦度波動，在多個器件級聯的情況下，這些波動將互相疊加，某些頻點加強，某些頻點減弱，這樣使得級聯后的總平坦度增大。

不同器件級聯時的駐波匹配。每個獨立器件都存在一定的反射駐波，當2 個器件級聯時，反射駐波的大小也決定了級聯后的增益波動大小。一般地，反射駐波越大，級聯的增益波動也越大。因此，要改善不同器件間的匹配情況。

環境溫度。環境溫度主要影響系統增益的大小，從而影響系統在高溫和低溫時的工作能力。一般地，高溫增益小，低溫增益大。

為保證模塊的整體平坦度滿足指標要求，在設計中應采取以下措施。

器件選型。盡量選擇自身平坦度較好、反射駐波小的器件。

在反射駐波較大的2 個器件之間加入適當衰減器，改善匹配，如混頻器前后。在二中頻增加一個溫度補償衰減器和1 個平坦度補償衰減器。

溫度補償衰減器用來減小溫度對模塊平坦度的影響，針對不同溫度，設置衰減器處于不同衰減狀態，從而使模塊在不同溫度下整體平坦度保持在較小的變化范圍內。模塊典型的中頻瞬時工作帶寬為1GHz，而輸入頻率為一寬帶信號，任意1GHz 的輸入信號通過頻率變換到中頻后，其變頻增益是不同的，平坦度補償衰減器正是為了減小這一變化而設計的。通過軟件編寫校正表，可以使寬帶輸入信號在中頻處理環節具有較小的增益變化。

電路中增加均衡器。幾乎所有的射頻器件增益（損耗）隨頻率變化關系都具有負斜率的特性，而均衡器具有正斜率特性，可以通過在電路中增加均衡器來平衡這種變化，使鏈路的高頻和低頻特性變化較小。

2.4 帶內雜散分析

接收下變頻模塊采用二次混頻的超外差接收方式，產生雜散主要在一混頻和二混頻環節。混頻器是1 個非線性器件，對fi 和fL2 個輸入信號會產生±m*fi±nfL 頻率分量，其中只有1 個分量為有用信號，其余均為雜散信號，若不濾除，就會影響系統工作。由于二混頻的輸入頻率和本振較高，中頻頻率較低，高次交調分量落在帶內的功率很小，因此模塊的雜散主要來自一混頻環節。

欲降低混頻器產生的雜散信號，可以從以下方面采取措施。

選擇高IP3 的混頻器件；合理選取本振頻率和中頻頻率，將產生的交調信號移到帶外，通過濾波器濾除。

對于1 ～18GHz 輸入信號，一混頻是一個上混頻環節，輸入信號為fi，本振為fl，輸出fo=fl-fi，由于本振頻率比輸入射頻信號頻率高，本振的多次分量已很高，因此主要考慮的雜散信號有：

本振頻率的泄漏；fl-2*fi 交調信號；

輸入信號的2 次諧波2*fi。

方案中，為解決10 ～12GHz 信號二次諧波會落入21.5 ～22.5GHz 帶內的問題，特將10 ～12GHz 輸入信號變頻至25.5 ～26.5GHz，其他頻率均變頻至21.5 ～22.5GHz，只需將中頻濾波器的抑制做好，就可以解決本振頻率和可能產生的交調等雜散信號。

綜上，通過合理設計，選擇合適的混頻器和濾波器可使雜散信號抑制在指標要求范圍內。

3 實現的技術指標

以下是實現的各主要指標，見表1。

表1 實現的各主要指標一覽表

4 結構設計

根據要求，接收下變頻組件為模塊化，裝入1 個機盒中，根據機盒中的預留空間以及鏈路排布情況，模塊外型設計如圖2 所示。

圖2 接收下變頻模塊外型圖

5 結語

本文設計研制的1 ～18GHz 超寬帶接收下變頻模塊，對模塊的指標設計進行了詳細的分析，同時對關鍵元器件指標進行了分析，實現了1 ～18GHz 的超寬帶具有低噪聲、高動態、雜散小、功耗小、重量輕、體積小的特點，并在雷達偵收監測系統中得到應用，實際測試的指標均滿足技術使用要求，使用效果較好。