Ku频段接收前端的高本振抑制设计

熊文毅

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

1 引 言

对射频泄露信号的抑制是射频前端设计中一个非常关键的问题。较大地泄露信号会导致射频前端工作异常,如自激、关键指标(噪声系数、功率、杂散、交调、检测灵敏度等)恶化等。

随着信号工作频率的升高(如X频段以上),器件、电路的寄生参数对电性能的影响显著增加,加大了分析和设计的难度[1]。

Ku频段接收前端包含了一路射频耦合支路。耦合支路将输入的射频信号提供给后面的鉴频模块,进行频率判决。由于接收前端中频信号小于100MHz,本振信号与接收到的射频信号频率相近,泄漏到射频耦合输出端的本振信号会影响鉴频电路对微弱射频接收信号的鉴频。为提高整机的鉴频灵敏度,接收前端必须确保对本振泄漏信号的高抑制度。

本文通过对射频信号的多种泄露途径进行详细分析,针对性地采取了解决措施。在满足噪声系数、最大输入P-1dB等关键指标的同时,实现了对本振泄露信号的高抑制度。研制完成的5套接收前端交付用户联试,完成了各项试验,工作正常。

2 接收前端设计

2.1 接收前端电路原理

接收前端包含了三路接收支路和一路射频耦合输出支路。接收支路对接收到的微弱射频信号进行放大、下变频后输出。射频耦合支路将输入的射频信号分出一路,提供给后面的鉴频模块,进行频率判决。接收前端的主要指标如下:

射频输入频率:Ku频段;

射频带宽:±0.5GHz;

中频输出频率:<100MHz;

接收噪声系数:≤3.5dB;

接收增益:35±3dB;

最大输入P-1dB:≥-15dBm(中频衰减);

镜频抑制:≥20dB;

耦合输出端本振抑制度:>90dBc(耦合支路的接收射频信号增益>8dB)。

兼顾各项关键指标,设计接收前端的工作原理框图如图1所示。

图1 接收前端工作原理框图Fig.1 Schematic diagram of receiver front-end

三路接收支路的电路基本相同。第一接收支路的第一级低噪放后通过功分器提供一路射频信号给鉴频电路,这样可以降低耦合支路的噪声系数,提高鉴频电路的鉴频灵敏度。

2.2 高本振抑制设计

接收前端的本振信号与射频接收信号的频差小于100MHz,同为Ku频段。对本振信号的泄露途径进行分析,主要归纳为射频电路通道、馈电线路通道和空间辐射通道3个泄露通道。在电路、结构设计中应重点考虑提高上述3个泄露通道的本振信号抑制能力,确保最终实现指标要求。

2.2.1 射频电路通道

为了提高接收前端的输入 P-1dB,同时抑制镜频噪声干扰,接收支路的下混频选用高输入P-1dB的基波镜频抑制混频器,因此需要大于13dBm的本振驱动功率。为了简化电路,本方案对本振信号先放大后再一分三,驱动各路混频器。

耦合支路采用功分器电路引出射频信号。相对于传统的耦合器电路,功分器因为不同端口间的损耗(隔离)值的差异,可以提高A点(图1)处接收射频信号对本振泄漏信号的比值,提高鉴频电路的灵敏度。

为了提高射频增益,接收支路采用2级放大器。为了保证输入 P-1dB指标,又利用衰减器降低多余的增益。这种电路布局较为复杂,但是却可利用第二级放大器的反向隔离和衰减器的链路损耗,提高射频电路通道的反向隔离度。当然,使用隔离器也可实现一定的反向隔离度。但比较而言,本方案电路具有尺寸小、隔离度更高的优势,而且便于多芯片平面一体化集成。

本振信号的射频电路泄露通道见图1,其对本振信号的抑制统计见表1。

表1 射频电路通道对本振信号的抑制Table 1 LO-rejection in RF channel

由表1统计值可知,射频电路通道对本振泄漏信号的抑制值约为100dB,满足抑制要求。

2.2.2 馈电线路通道

由于工作频率高至Ku频段,此频率下单片放大器电路中集总器件的Q值受限。而单片放大器尺寸小,端口间存在辐射泄露,所以信号输入、输出端口与直流馈电端的隔离度有限[2],约为30dBc。

本振输入信号从本振放大器的输出端泄漏到馈电端,经共用馈电线路泄漏到第一级低噪放馈电端口,由第一级低噪放放大后传输到射频耦合端口。在电路设计中可考虑在单片放大器馈电端并联高Q值滤波电容,抑制信号泄露。

因为Ku频段信号波长较短,可采用如图2所示微带电路进行抑制。利用1/4波长微带线的阻抗倒换特性[3],使馈电支路的输入端面对射频信号呈现开路状态,达到抑制信号泄露的目的。图3为射频抑制馈电线的场仿真数据。

图2 馈电线模型Fig.2 Model of feeding-line

图3 馈电线仿真数据Fig.3 Simulation data of feeding-line

但因为局部空间辐射耦合的存在,滤波电容加1/4波长变阻抗微带馈电线对射频信号的抑制仅可实现大于40dBc的抑制。

对馈电线泄露通道的本振信号抑制统计见表2。

表2 馈电线通道对本振信号的抑制Table 2 Lo-rejection in DC feeding channel

由表2统计值可知,馈电线路泄露通道对本振泄漏信号的抑制值约为124dBc,满足抑制要求。

2.2.3 空间辐射通道

Ku频段的本振信号辐射泄漏非常严重。因此在结构设计时可以通过以下两种措施提高对射频信号辐射泄露的抑制。

(1)利用屏蔽腔的低频率截止性

将上腔开槽,形成屏蔽腔,抑制放大器和传输线路的辐射泄漏。

屏蔽腔截止频率近似公式[4]为

式中,a为波导盒的宽边(与基片平行),b为波导盒的窄边,h为基片厚度,εr为基片相对介电常数,c为光速。

参考式(1)选择屏蔽腔尺寸,其3D模型(局部)见图4,屏蔽特性仿真见图5。由图可知,满足抑制要求。

图4 结构3D模型Fig.4 3D-model of structure

图5 信号传输特性仿真Fig.5 Simulation data of signal transmission

(2)缝隙耦合抑制

结构加工时,上下腔接触面不可能完全平整,局部难免存在缝隙。射频信号会通过缝隙耦合方式泄露[5]。耦合缝隙的宽度和高度尺寸决定了信号耦合的强弱。建立缝隙耦合3D模型(见图6),进行场仿真。

图6 缝隙耦合3D模型Fig.6 3D-model of aperture coupled

改变缝隙的宽度和高度,得到不同的仿真数据,如图7。由图7结果可知,减小耦合缝宽度,降低耦合缝高度可以有效降低射频信号的耦合泄露。可以通过提高上下腔接触面平整度,增加压接螺钉密度来控制耦合缝尺寸,达到抑制耦合泄露的目的。

图7 缝隙耦合特性仿真Fig.7 Simulation data of aperture coupled

射频信号的实际泄露途径是上述3个泄露途径的复杂综合,所以应以这些基本泄露途径为基础,对各级电路、各部分结构进行综合分析,提高整体抑制能力。

3 接收前端测试

按照上述设计思路,完成了5套Ku频段接收前端的研制。接收前端关键指标测试值如下:

噪声系数:2.9～3.1dB;

增益:34.5～35.5dB;

输入 P-1dB:≥-15dBm;

镜频抑制度:22～30dB;

本振抑制度:90～96dBc;

输入驻波:≤1.2。

由测试结果可知,对射频信号泄露途径的归纳、分析是准确的,采取的优化措施和抑制设计方法是有效的。

4 结 论

对射频信号的泄露途径进行归纳和分析,采取了相应的抑制措施。参考指标要求,对电路和结构方案进行优化设计,最终实现了对本振泄露信号的抑制最高达96dBc。

本文介绍的泄露抑制分析方法和抑制设计措施也适用于其它同类型高频段前端(如K频段、Ka频段)的杂散抑制设计。

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