田野 冉龍明 李濤 桂進(jìn)樂(lè)

?

2～18GHz寬帶接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田野1冉龍明2李濤2桂進(jìn)樂(lè)1

1.四川壓電與聲光技術(shù)研究所，重慶 400060 2.中國(guó)人民解放軍空軍駐重慶地區(qū)軍事代表室，重慶 400060

介紹了一種超寬帶大動(dòng)態(tài)接收機(jī)，接收頻率為2～18GHz。該接收機(jī)具有寬頻帶、小體積、低噪音以及大動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)。通過(guò)合理的方案設(shè)計(jì)，接收機(jī)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)接收頻帶內(nèi)增益波動(dòng)小于±2.5dB，噪音系數(shù)小于6.6dB，輸入三階截點(diǎn)大于-3.6dBm。

接收機(jī)；超寬帶；低噪音；大動(dòng)態(tài)

寬帶接收機(jī)技術(shù)的進(jìn)步迎合了現(xiàn)代新型電子偵察系統(tǒng)的發(fā)展需求，它要求頻帶更寬、靈敏度更高、體積更小。接收前端作為偵測(cè)系統(tǒng)的核心部件，承擔(dān)著低噪音放大、頻譜搬移及幅相控制等功能[1]。寬帶接收機(jī)的頻譜利用率高，抗干擾性強(qiáng)，在減小反輻射導(dǎo)彈對(duì)雷達(dá)的干擾、提高預(yù)警機(jī)制反應(yīng)速度、提高彈道導(dǎo)彈的精度、減少導(dǎo)彈的反應(yīng)時(shí)間等方面效果尤為突出。由于接收機(jī)的寬帶特性，其寬帶匹配難度大，往往影響到增益平坦度、噪音系數(shù)等指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，這是研制過(guò)程中的難點(diǎn)[2]。另外接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度是影響整機(jī)性能的關(guān)鍵參數(shù)，但兩者的關(guān)系恰恰是相互制約的，因此需要做權(quán)衡分析。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種2～18GHz的超寬帶接收機(jī)，采用超外差結(jié)構(gòu)，具有寬頻帶、低噪音、大動(dòng)態(tài)接收等特點(diǎn)。接收機(jī)噪音系數(shù)小于6.8dB，輸入三階截點(diǎn)值達(dá)到-3.6dBm，整個(gè)射頻帶寬內(nèi)平坦度達(dá)到±2.5dB。

1 工作原理及分析設(shè)計(jì)

1.1 寬帶接收方案

在寬帶接收機(jī)總體方案設(shè)計(jì)中，頻率劃分尤為重要，合理的頻率選擇能夠避免高階交調(diào)分量落入帶內(nèi)，并降低各級(jí)濾波器的設(shè)計(jì)難度。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的接收機(jī)，由于輸入信號(hào)帶寬較寬，考慮首先將接收信號(hào)通過(guò)寬帶調(diào)諧器進(jìn)行一次上變頻，調(diào)諧本振為Ka波段信號(hào)，二中頻頻點(diǎn)選擇在K波段，這需要一款寬頻帶、大動(dòng)態(tài)的混頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。Ka波段的本振調(diào)諧信號(hào)由于遠(yuǎn)離接收最高點(diǎn)信號(hào)18GHz，則鏡頻信號(hào)更容易抑制，即采用微帶低通濾波器就可以實(shí)現(xiàn)60dB的鏡頻抑制，且插入損耗較小。另外，該低通濾波器還能實(shí)現(xiàn)本振抑制，從而保證本振反向輻射指標(biāo)。2-18GHz射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)一次變頻后，要通過(guò)一級(jí)帶通濾波器，濾除干擾信號(hào)后再進(jìn)入二混頻器變頻至基帶頻率，一中頻信號(hào)再經(jīng)過(guò)放大、濾波后輸出得到最終輸出信號(hào)。方案的原理框圖如圖1所示。

圖1 接收機(jī)原理框圖

1.2 關(guān)鍵指標(biāo)分析

寬帶接收機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于，由于寬帶混頻器的變頻損耗指標(biāo)不佳，以及器件間匹配不良，往往平坦度指標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)，因此需要在射頻前級(jí)設(shè)立均衡器。

但利用均衡器對(duì)寬帶放大進(jìn)行增益補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，必將在接收前端引入較多的插入損耗。因此，需盡可能的降低噪音并提高前級(jí)增益，確保噪音系數(shù)滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。但增益不能過(guò)高，還需保證較高的輸入三階截點(diǎn)值。兩個(gè)最簡(jiǎn)單的公式就可以闡釋這一組矛盾，見(jiàn)公式（1）和公式（2）。

（2）

公式（1）反映了前級(jí)的高增益可以降低均衡器、濾波器以及混頻器對(duì)噪音的惡化影響。而公式（2）則表明，當(dāng)后級(jí)輸出端口的OIP3確定之后，前級(jí)的增益越高，則IIP3就越小。在寬帶接收機(jī)的應(yīng)用中，OIP3通常主要受寬帶混頻器的限制，因此需要合理的選取混頻器前的增益。

由于接收信號(hào)的帶寬達(dá)到了16GHz，為了滿(mǎn)足低噪音指標(biāo)和輸入三階截點(diǎn)指標(biāo)，必須選擇合適的寬帶放大器。根據(jù)指標(biāo)要求進(jìn)行方案規(guī)劃，此放大器需要在2～18Ghz頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)噪音系數(shù)小于4dB，輸入三階截點(diǎn)大于-3dBm。同時(shí)必須在整個(gè)接收頻帶內(nèi)增益平坦，滿(mǎn)足增益波動(dòng)小于2dB的要求。盡管放大器在通帶內(nèi)的變頻損耗平坦性滿(mǎn)足指標(biāo)要求，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還需充分考慮了放大器和混頻器的級(jí)間匹配對(duì)接收機(jī)整體的增益平坦性指標(biāo)的影響。可減小走線(xiàn)、連接頭對(duì)寬帶級(jí)聯(lián)系統(tǒng)引入的適配分量，并通過(guò)一定的電路調(diào)試來(lái)實(shí)現(xiàn)平坦度要求。

為了同時(shí)滿(mǎn)足上述幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，務(wù)必進(jìn)行鏈路參數(shù)的權(quán)衡分配，優(yōu)化方案。

本方案采用高增益的寬帶低噪放獲得了較好的噪音系數(shù)，在低噪放之后混頻器之前加濾波器和均衡器的方式，適當(dāng)降低前級(jí)增益，保證了三階截點(diǎn)指標(biāo)，同時(shí)利用均衡器一定程度的提高了增益平坦度，補(bǔ)償了混頻器輸入失配引入的增益波動(dòng)。當(dāng)然，還需要選擇大動(dòng)態(tài)的低噪放和寬帶混頻器來(lái)保證三階截點(diǎn)指標(biāo)。

2 單元電路設(shè)計(jì)

2.1 寬帶增益均衡器的仿真設(shè)計(jì)

微波增益均衡器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常都是以單個(gè)的陷波器作為基礎(chǔ)。陷波器由R、L和C組成的一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)諧振電路，其頻率響應(yīng)特性S21為：

（4）

根據(jù)（4）式和級(jí)數(shù)展開(kāi)理論，任意響應(yīng)的波形都可以用無(wú)數(shù)多的陷波器響應(yīng)合成[3]。因此，可以把接地的串聯(lián)諧振電路作為基本單元結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)量，并調(diào)節(jié)好每個(gè)單元中L、R、C的值，則可以逼近任意需要的均衡曲線(xiàn)。

根據(jù)實(shí)測(cè)的兩級(jí)低噪放級(jí)聯(lián)后的增益曲線(xiàn)，首先擬訂了增益均衡器的指標(biāo)要求，高端信號(hào)要比低端信號(hào)的插損小4dB。采用五個(gè)諧振枝節(jié)微帶型增益均衡器模型設(shè)計(jì)電路初值，然后利用三維仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真優(yōu)化。加工后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。

表1 均衡器測(cè)試結(jié)果（單位：GHz、dB）

2.2 高抑制度波導(dǎo)濾波器實(shí)現(xiàn)

圖2 波導(dǎo)濾波器三維模型

由于對(duì)濾波器的插入損耗和帶外抑制提出了較高的要求，因此選用了體積相對(duì)較大的波導(dǎo)濾波器。通過(guò)調(diào)諧螺釘調(diào)節(jié)諧振單元的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)窄帶濾波。中心頻率為K波段點(diǎn)頻，帶寬700MHz，插損1.5dB,偏離中心2GHz處抑制大于80dBc。濾波器三維結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2所示，測(cè)試曲線(xiàn)見(jiàn)圖3所示。

圖3 波導(dǎo)濾波器測(cè)試曲線(xiàn)圖

3 測(cè)試結(jié)果

接收機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用了模塊化設(shè)計(jì)，分別為低噪放模塊、均衡器模塊、混頻模塊、波導(dǎo)濾波器以及中頻放大模塊。其中低噪放和中頻放大模塊采用了微組裝工藝，利用金絲點(diǎn)焊將MMIC與微帶互聯(lián)，這樣可以避免器件封裝的寄生參數(shù)影響，適合于寬帶應(yīng)用。

圖4 接收機(jī)實(shí)物照片圖

表2 接收機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)合理的頻帶選擇、增益和噪音系數(shù)規(guī)劃，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種2～18GHz頻段的超寬帶接收機(jī)，測(cè)試結(jié)果表明該接收機(jī)具有寬頻帶、低噪音以及大動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)。

[1]宋慶輝，王璇，譚承.18～40 GHz超寬帶小型化接收前端的仿真設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)電工程，2012，8（42）46.

[2]熊文毅.Ka頻段低噪音接收前端設(shè)計(jì).[J]電訊技術(shù)，2011

[3]Jerzy Kampa，Krystyna Petrus.Microwave amplitude equalizer.Conferenceon Microwaves[J].Radar and Wireless Communications，2000：37-40.

TN713.5

A

1009-6434(2016)04-0047-02