X波段變頻模塊設計方案

關鍵詞：變頻模塊；噪聲系數(shù)；鏡頻抑制

中圖分類號：TN913.3 文獻標識碼：A

0 引言

變頻模塊可在雷達系統(tǒng)中作為接收機的前端，一般由帶通濾波器、低噪聲放大器和下變頻器組成。該模塊可將雷達天線接收的頻率向下變換為中頻，在中頻，物理上才可能實現(xiàn)具有較理想通帶特性的濾波器。

1 變頻模塊原理

變頻模塊完成8 路射頻（radio frequency，RF）信號下變頻至中頻，并將外部提供的一路本振信號進行八功分作為8 路變頻本振[1]。

射頻信號經(jīng)數(shù)控衰減后進入低噪放，經(jīng)射頻帶通濾波器后進入同相正交（I/Q）混頻器，與本振信號進行混頻，產(chǎn)生中頻信號。中頻信號依次經(jīng)過放大1、帶通濾波、數(shù)控衰減、放大2、低通濾波后，得到帶寬為20 MHz 的中頻信號。

射頻數(shù)控衰減器的參數(shù)為：10 dB 步進、總衰減范圍為0 ～ 30 dB （2 bit）；中頻數(shù)控衰減的參數(shù)為：2 dB 步進、總衰減范圍為0 ～ 30 dB（4 bit）；總共6 bit，衰減范圍為0 ～ 60 dB。

2 變頻模塊關鍵指標分析

2.1 基礎指標

通過軟件可以計算出鏈路的總增益、噪聲系數(shù)及中頻輸出1 dB 壓縮點。

2.2 帶內(nèi)平坦度

影響帶內(nèi)平坦度的因素主要為：①器件的帶內(nèi)平坦度。射頻低噪放選用的是正斜率的放大器，中頻放大器選用的是負斜率的器件，可相互抵消一部分。數(shù)控衰減器選0e733e73c3ac4e8a35e78ba2224ec0fa45f528d2fddd68d9eefbc61ecc31ed81用的均是寬帶平坦度好的器件。②器件之間的匹配。在鏈路中器件之間的失配會造成增益帶內(nèi)不平坦，尤其是駐波較差的器件，所以在器件之間預留了調(diào)試位置，通過外加匹配電路使信號在整個中頻帶內(nèi)平坦度合格。

2.3 鏡頻抑制

鏡像抑制[2] 由I/Q 混頻器和電橋決定。本設計方案中選擇的I/Q 混頻器的鏡像抑制優(yōu)于35 dB，滿足系統(tǒng)要求。

2.4 諧雜波抑制

諧雜波受限因素包括本振雜散、射頻/ 本振泄漏、中頻信號諧波。

2.4.1 本振雜散

需要嚴格控制泄漏到中頻帶內(nèi)的本振雜散。一方面在本振電路中加強濾波；另一方面選擇具有高通特性的本振放大器，以達到濾除本振雜散的目的。

2.4.2 射頻/ 本振信號

中頻鏈路上有多級低通、帶通濾波，且中頻放大器、衰減器均呈低通特性，因此射頻/ 本振信號的泄漏指標可以滿足系統(tǒng)要求；射頻/ 本振泄漏主要來自模塊內(nèi)部空間，可以通過加強蓋板隔離措施來解決。

2.4.3 中頻信號諧波

中頻鏈路上布置了帶通、低通濾波器，且輸出端加諧波抑制比好的低通濾波，因此保證了中頻諧波抑制比。

2.5 帶內(nèi)群時延波動

帶內(nèi)群時延波動主要由濾波器決定，射頻濾波器的群時延≤ 2 ns，中頻濾波器的群時延≤ 8 ns，總計滿足≤ 10 ns 的要求。

2.6 通道間隔離度

通道間隔離度受限于3 個方面：鏈路自身的隔離、電源隔離和空間隔離。

2.6.1 鏈路自身的隔離

鏈路上只有本振存在連接關系，隔離環(huán)路為：混頻器1→ 本振驅放1→ 功分器→ 本振驅放2→混頻器2。

隔離度分別為：-20 dB（ 混頻器隔離）、-40 dB（本振驅放1 反向隔離）、-18 dB（功分器隔離）、22 dB（本振驅放2 增益）、-20 dB（混頻器隔離）。經(jīng)計算得出：隔離度達到76 dB，設計指標的余量較大。

2.6.2 電源隔離

電源隔離主要由旁路濾波電容保證，每個饋電點都增加了旁路濾波器電容，保證通道間的電源隔離達到45 dB 以上。

2.6.3 空間隔離

通過在蓋板上加隔離條實現(xiàn)空間隔離，空間隔離度預計達到50 dB 以上。

2.7 多通道增益一致性

影響多通道增益一致性的主要因素包括射頻接頭/ 多層板裝配一致性和器件一致性。由于射頻帶寬較寬，幅度一致性預計達到±0.7 dB（調(diào)試量較大）。

2.7.1 射頻接頭/ 多層板裝配一致性

通過裝配工藝保證射頻接頭/ 多層板裝配一致性，嚴格控制焊膏/ 焊錫量、燒結溫度/ 時間，燒結完成后，抽樣進行X 光檢查，其主要用于封裝好的產(chǎn)品內(nèi)部檢查，或燒結好的器件底部與基片黏結情況的檢查，剔除不滿足接地要求的模塊。

2.7.2 器件一致性

采購器件時，針對器件的重要參數(shù)（增益/ 插損、回波損耗等）進行篩選，確保器件具有良好的幅度一致性。同時在鏈路上預留π 型衰減器以補償幅度差異。

2.8 多通道相位一致性

影響相位一致性的主要因素包含射頻接頭/ 多層板裝配一致性、射頻線電長度一致性、金絲鍵合長度和器件一致性。多通道間的相位一致性能達到±10°。

2.8.1 射頻線電長度一致性

不同通道的射頻線電長度一致性控制在0.1 mm以內(nèi)，同時加工誤差會引入額外的不一致性，在鏈路中加小步進的調(diào)相器以補償射頻線電長度的差異。

2.8.2 金絲鍵合長度

由于模塊工作頻率達到10.5 GHz，金絲鍵合長度帶來的相位不一致性是顯著的，因此在金絲鍵合工藝環(huán)節(jié)中需嚴格控制金絲鍵合長度及位置。

2.9 變頻模塊功耗統(tǒng)計

電源轉換效率，直流轉直流電源（DC-DC）為85%，低壓差穩(wěn)壓器（low dropout regulator，LDO）為90%（5.5 V 轉5 V）。變頻模塊采用的供電電壓為12 V。

3 電路布局

模塊的整體布局分為3個部分，包括射頻部分、中頻部分和電源部分[3]。輸入射頻部分選用的器件大部分為裸芯片，采用獨立的密封腔結構，內(nèi)部蓋板加隔墻以分隔8 路信號，外蓋板采用激光封焊。混頻后的中頻部分均為封裝器件，故不考慮密封性，只考慮信號的濾波及隔離。電源部分主要將外部12 V 的供電電壓穩(wěn)壓后，給射頻部分和中頻部分提供所需電壓和電流。

3.1 射頻印制板

射頻印制板主要集中了數(shù)控衰減器，低噪放，濾波器及I/Q 混頻器。背面主要是對本振信號的一分八功分器（射頻器件）。為了使變頻模塊實現(xiàn)其輕、薄、小的結構特點，采用射頻多層板的設計方案。

3.1.1 材料選擇

材料選用ROGERS 公司的RO4350B 碳氫陶瓷填充板（ 芯板） 和RO4450F（ 半固化片），RO4350B 屬于高頻微波材料，在X 波段性能優(yōu)良。

3.1.2 疊層分布

本設計共采用6 層板，第1 層和第6 層為射頻層；第2 層和第5 層為接地（GND）層；第3 層為電源層；第4 層為控制信號層。射頻、電源和控制信號之間有地層隔離，最大限度地減小干擾，避免引入其他射頻信號。

3.1.3 盲孔規(guī)劃

整個基板共包括3 階盲孔結構，分別為1 ～ 2 層盲孔、1 ～ 4 層盲孔、5 ～ 6 層盲孔和1 ～ 6 層通孔，利用地孔加強通道間和波束間的板上隔離以避免泄漏情況。多層板盲孔規(guī)劃如圖 1 所示。

變頻模塊采用多層板將控制電路和射頻電路相結合，減少了連接器和飛線，提高了模塊可靠性。功分器大部分采用微帶線設計，功分器在表層，中間層為電源和控制線。射頻印制板如圖 2 所示。

3.2 中頻印制板

中頻印制板主要集中了數(shù)控衰減、放大器及中頻濾波[4]。由于空間不夠，為布板方便采用了4 層板，第1 層為射頻層；第2 層為GND 層；第3 層為電源層；第4 層為控制信號層。第1 層的射頻信號頻率不高，但為了保證相位的一致性，頂層基片依然采用ROGERS 公司的RO4350B 碳氫陶瓷填充板（芯板），RO4350B 屬于高頻微波材料，在X 波段性能優(yōu)良，介電常數(shù)均勻，相位一致性較好。其他層為電源及控制信號，采用附著力強的低頻板材FR-4。

4 結構設計

變頻模塊是3U 尺寸VPX 板卡，模塊三維結構如圖3 所示。

射頻部分是獨立密封腔，輸入為燒結的SMP高頻接頭，輸出和控制均為燒結的玻珠[5]。

要保證隔離度的指標符合要求，還需要考慮內(nèi)部空間輻射的因素，消除空間輻射的具體方法如下。

（1）電源線上采用不同容量的電容對不同頻率的干擾信號進行濾除。

（2）采用金屬腔體屏蔽模塊外的信號。

（3）內(nèi)部蓋板將每路信號分成8 個相對獨立的腔，每個輸入端之間增加隔墻以阻擋輻射信號。

（4）最大限度地降低信號的相互串擾。

考慮到模塊內(nèi)部有裸芯片，所以其中的射頻部分采用激光封焊的方式進行氣密封裝。根據(jù)激光封焊工藝，模塊采用下沉式蓋板結構，腔體與蓋板的配合處嚴格控制公差，確保激光封焊所需的配合間隙符合要求。模塊內(nèi)腔底面加工粗糙度為3.2μm，平面度達0.05mm，保證了基片燒結、芯片黏結的可靠性。模塊腔體內(nèi)腔及接插件安裝孔部位局部鍍金，基片、射頻輸入/ 輸出及控制接頭均采用合金燒結在腔體上，其性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠。

在充滿惰性氣體的手套箱中完成模塊腔體封蓋焊接過程，這種方式可以有效控制密封腔體內(nèi)部的水汽含量并將氧氣隔離，使產(chǎn)品內(nèi)部的功能單元在一個惰性氣體環(huán)境中長時間穩(wěn)定、可靠地工作。

變頻模塊整體尺寸為100 mm×170.5 mm×24 mm（長× 寬× 高），是標準3U 尺寸VPX 板卡。該模塊采用標準化設計，以方便維修和更換。其還采用一體化支架，保證了安裝孔、定位孔公差尺寸和定位基準。模塊包括射頻接口、加電控制接口等。預估組件總重量約為550g。

5 結論

對模塊的指標和影響模塊性能指標的因素進行了全面分析，過程中還進行了必要的仿真，選擇了合適的器件、材料、工藝，最終形成了設計方案。此方案變頻模塊鏈路預算、器件選型合理，結構、工藝成熟可控，模塊的功能、性能等參數(shù)能夠滿足系統(tǒng)正常運行要求。