0 引言

    隨著無線電通信技術(shù)和綜合電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)對微波接收機的要求向著超寬帶、通用化和小型化方向不斷加深^[1-2]。作為微波接收機的核心組成部分，接收前端將天線或天線接口單元輸出的射頻信號轉(zhuǎn)化為信號處理機所需的窄帶中頻信號，其尺寸和性能直接關(guān)系到整個接收機的能力。

目前國內(nèi)的超寬帶小型化接收前端產(chǎn)品受限于低頻段濾波器尺寸，其射頻輸入頻率最低下探至0.4 GHz^[3]，中頻輸出頻率大多選擇在1 GHz以上^[4]，或是僅針對變頻前的濾波放大電路進行闡述^[5]。

    本文設(shè)計的小型化超寬帶接收前端采用成熟的、高集成度的多芯片微組裝技術(shù)(Multi-Chip Micro-package，MCM)，選用多功能芯片濾波器和小型化LC濾波器，在滿足產(chǎn)品性能要求的前提下大幅縮小產(chǎn)品尺寸。該產(chǎn)品實現(xiàn)了對0.1 GHz~18 GHz微波頻段全覆蓋，易于集成到各種單/多通道微波偵收系統(tǒng)中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 接收前端的技術(shù)要求

    接收前端的工作頻段為0.1 GHz~18 GHz，典型增益為35 dB，全頻段增益在±3 dB波動。接收前端要求先進行預(yù)選濾波再進行放大，全溫范圍內(nèi)噪聲系數(shù)要求≤22 dB。輸出中頻中心頻率為140 MHz，具有80 MHz和2 MHz兩種帶寬可選，相應(yīng)的50:3矩形系數(shù)要求分別為≤1.75和≤2.5。輸出P_-1≥10 dBm，輸出限幅≤15 dBm，中頻抑制和鏡頻抑制度均≥70 dBc。射頻輸入和中頻輸出端口駐波系數(shù)要求均為≤2.5：1。

2 接收前端的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 電路方案設(shè)計

    接收前端電路原理框圖如圖1所示，可劃分為射頻部分與混頻部分兩大部分。

    接收前端的射頻部分采用先預(yù)選濾波再放大的電路布局。射頻部分輸入級為手動增益控制（Manual Gain Control，MGC）數(shù)控衰減器，用于大信號時的增益控制，然后通過單刀雙擲開關(guān)分為0.1 GHz~6.2 GHz和6.2 GHz~18 GHz高低兩段。0.1 GHz~6.2 GHz分為10段濾波器進行預(yù)選濾波，并分三段使用低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）進行放大；6.2 GHz~18 GHz分4段濾波器進行預(yù)選濾波并使用LNA進行放大?？偣?4段預(yù)選頻段，除第一段和第二段之外，其余頻段均采用亞倍頻濾波以提高系統(tǒng)抗干擾能力，并在相鄰頻段間保留足夠的頻帶交疊以保證信號完整性。具體預(yù)選頻段劃分如表1所示。

    混頻部分電路采用超外差接收架構(gòu)，通過三次變頻方案將0.1 GHz~18 GHz信號下變頻至中心頻率為140 MHz的IF信號。第一級混頻時，將輸入信號根據(jù)頻段變頻為高/低兩種IF1：0.1 GHz~6.2 GHz頻段上變頻至8.2 GHz，6.2 GHz~18 GHz頻段下變頻至4.2 GHz。采用這種變頻方案，第一級本振信號（Local Oscillator，LO）僅需覆蓋8.3 GHz~19.7 GHz，可以降低頻綜的實現(xiàn)難度。兩種IF1通過開關(guān)選擇，在第二次混頻時均與LO2下變頻至頻率為1.2 GHz的IF2，最后通過第三次混頻與LO3下變頻至IF3頻率140 MHz，并使用兩種不同帶寬的濾波器進行帶寬選擇后輸出，送至信號處理系統(tǒng)。

2.2 關(guān)鍵指標分析

    對于超寬帶接收系統(tǒng)，全頻帶的增益平坦度、中/鏡頻頻率抑制度和組合干擾的抑制度等技術(shù)指標實現(xiàn)難度較大，并直接影響系統(tǒng)的使用性能。噪聲系數(shù)本身也是接收系統(tǒng)的關(guān)鍵指標，但在本接收前端的應(yīng)用場景中，前級端接了具有一定增益的低噪聲天線接口單元，要求接收前端先進行預(yù)選濾波，因此對噪聲系數(shù)要求較低。

2.2.1 接收前端增益平坦度分析

    接收前端頻率覆蓋0.1 GHz~18 GHz，為保證全頻段增益滿足≤±3 dB的平坦度要求，在以下3個方面進行了針對性設(shè)計：

    (1)混頻前電路根據(jù)頻率共劃分為4段，每段使用獨立的LNA，如圖1所示，將全頻段增益平坦度指標分解至4個相對較易實現(xiàn)的子段增益平坦度指標。

    (2)選用寬帶性能良好的元器件，并選用均衡器或自帶均衡的放大器對平坦度進行補償。同時在鏈路上預(yù)留溫補衰減器，對高低溫下的增益波動進行補償。

    (3)在三次變頻后的IF3放大鏈路上預(yù)留一級MGC，通過數(shù)控增益補償?shù)姆绞?，對不同射頻頻率下的增益波動進行補償。

    通過上述設(shè)計，可以保證全頻段及全溫范圍內(nèi)增益波動在±3 dB以內(nèi)。

2.2.2 接收前端中/鏡頻頻率抑制度分析

    接收系統(tǒng)的中/鏡頻頻率抑制度一般要求至少比系統(tǒng)的動態(tài)范圍大10 dB。中/鏡頻頻率抑制度設(shè)計有兩個要點：(1)正確計算接收系統(tǒng)各級的中/鏡頻頻率；(2)根據(jù)頻率合理規(guī)劃各級濾波器的帶外抑制度。

    本文設(shè)計的接收前端首先根據(jù)變頻方案計算第一級、第二級和第三級中頻頻率和鏡頻頻率，包括可能間接產(chǎn)生第二級或第三級中/鏡頻信號的頻率，然后將對計算得到的各種頻率的抑制度指標分配至各級帶通濾波器和低通濾波器中，并在設(shè)計時預(yù)留足夠的余量，確保最終的中/鏡頻頻率抑制度滿足≥70 dBc的指標要求。

2.2.3 接收前端組合干擾的ADS仿真

    上節(jié)提到的中/鏡頻頻率屬于最顯而易見的干擾來源，但在寬帶接收系統(tǒng)的使用中，還可能會出現(xiàn)各種其他的、在設(shè)計時不易發(fā)現(xiàn)的干擾來源，如各級LO信號間的頻率組合，或是特定頻率RF信號和LO信號的高階組合等，統(tǒng)稱為組合干擾^[6]。在接收前端設(shè)計時，為消除組合干擾的影響，實現(xiàn)對組合干擾的抑制，首先需要確定存在哪些組合干擾。本文在完成電路方案設(shè)計和元器件選型后，使用AdvancdDesign System（ADS）仿真軟件全鏈路S參數(shù)仿真，對組合干擾進行了分析和排除^[7-8]。鏈路仿真模型如圖2所示。

    該模型將接收前端中關(guān)鍵元器件（濾波器、放大器等）的S21實測數(shù)據(jù)代入仿真，模擬接收系統(tǒng)的工作模式，使用固定LO改變RF和固定RF改變LO兩種方式來尋找干擾點。通過這種方式，在電路實施前定位了數(shù)種在方案設(shè)計時難以發(fā)現(xiàn)的組合干擾，并通過優(yōu)化電路方案和元器件參數(shù)將其排除。

    該仿真方法確認的組合干擾抑制度與實物相差在10 dB以內(nèi)，可精確指導(dǎo)接收前端的設(shè)計與實現(xiàn)。同時該模型還用于接收前端增益平坦度的仿真設(shè)計。

2.3 接收前端小型化設(shè)計

    在結(jié)構(gòu)上，采用正反兩面布局，正面為射頻鏈路，背面為電源與控制電路，通過合理規(guī)劃兩面的腔體深度，將模塊總厚度控制在9.5 mm，便于系統(tǒng)集成；射頻接插件選用SMP型超小型推入式射頻同軸連接器，低頻接插件選用J63A型微矩形電連接器，均具有體積小、重量輕、抗振性能優(yōu)越等特點。

    射頻鏈路部分，選用全芯片方案，通過MCM工藝實現(xiàn)芯片器件與微帶線之間的連接。射頻腔體采用兩層蓋板設(shè)計，內(nèi)層蓋板使用沉頭螺釘鉗裝固定，提高傳輸線之間的隔離度，并確保腔體不會產(chǎn)生可能影響性能的諧振；外層蓋板使用激光縫焊，保證射頻部分的氣密性。

    濾波器的小型化是超寬帶接收前端的重點與難點。本文設(shè)計的接收前端，0.8 GHz~18 GHz頻段選用了3片MMIC開關(guān)濾波芯片作為預(yù)選濾波器，每片開關(guān)濾波芯片內(nèi)部集成了兩個開關(guān)和數(shù)個濾波器，3片共集成了10段濾波器；對于開關(guān)濾波芯片暫時無法覆蓋的0.1 GHz~0.8 GHz頻段預(yù)選濾波，選用了3個小型化LC濾波器來實現(xiàn)，該LC濾波器使用定制的芯片電容和繞線電感，在9 mm×5 mm×2 mm體積內(nèi)實現(xiàn)了常規(guī)LC濾波器的性能。IF2和80 MHz帶寬的IF3帶通濾波器也使用了這種形式的LC濾波器。其他濾波器選用了MEMS帶通濾波器、MMIC高/低通濾波器和窄帶聲表面波濾波器等。

3 接收前端實物與指標測試結(jié)果

    小型化超寬帶接收前端實物如圖3和圖4所示。接收前端的RF輸入、IF輸出端口和低頻J63A端口位于圖3的左側(cè)窄邊，3路LO輸入端口位于右側(cè)窄邊，上述接口布局與左右兩側(cè)，易于系統(tǒng)集成。上下兩側(cè)的接口為調(diào)試端口，可與第一級混頻器前的電路相連，便于調(diào)試寬帶電路平坦度，調(diào)試完成后與內(nèi)部電路斷開。

    由于接收前端工作頻帶較寬，覆蓋多個倍頻程，因此測試時，首先使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀從調(diào)試端口對混頻前的直通鏈路進行測試，調(diào)試并確定各個頻段的增益平坦度補償量，部分頻段測試結(jié)果如圖5所示。

    將通路從調(diào)試端口切換至變頻部分，使用多臺信號源和頻譜分析儀對增益補償后的全鏈路的各項技術(shù)指標進行測試，測試結(jié)果如表2所示。

    接收前端增益通過數(shù)控衰減器進行補償，大幅降低了超寬帶模塊全頻段增益平坦度指標的調(diào)試難度；通過合理設(shè)計，實現(xiàn)了端口駐波的免調(diào)試；其余各項指標，根據(jù)首件的調(diào)試結(jié)果，確定了后續(xù)產(chǎn)品的各調(diào)試點的元器件參數(shù)。經(jīng)過成功批量生產(chǎn)，驗證了該接收前端具備免調(diào)試能力，僅需測試人員或自動測試系統(tǒng)對指標進行測試即可，具備良好的可生產(chǎn)性。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計了一種小型化超寬帶接收前端，內(nèi)部集成了多種MMIC器件和小型化濾波器，工作頻率覆蓋整個0.1 GHz~18 GHz，尺寸僅為119 mm×61 mm×9.5 mm，可供各類通信/微波偵收項目使用。該模塊采用了數(shù)控增益補償?shù)姆绞剑鉀Q了超寬帶模塊增益平坦度調(diào)試難度大的問題，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)的免調(diào)試，大幅提高了生產(chǎn)效率并降低了生產(chǎn)成本。該超寬帶通用化小型化接收前端已成功應(yīng)用于多個超寬帶微波通信信號偵收系統(tǒng)中，充分驗證了設(shè)計的可靠性，未來還將在各類超寬帶偵收系統(tǒng)中廣泛使用。

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作者信息:

唐霆宇

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都610036)