2～18GHz宽带接收机的设计与实现

田野 冉龙明 李涛 桂进乐



2～18GHz宽带接收机的设计与实现

田野1冉龙明2李涛2桂进乐1

1.四川压电与声光技术研究所，重庆 400060 2.中国人民解放军空军驻重庆地区军事代表室，重庆 400060

介绍了一种超宽带大动态接收机，接收频率为2～18GHz。该接收机具有宽频带、小体积、低噪音以及大动态等特点。通过合理的方案设计，接收机实现了整个接收频带内增益波动小于±2.5dB，噪音系数小于6.6dB，输入三阶截点大于-3.6dBm。

接收机；超宽带；低噪音；大动态

宽带接收机技术的进步迎合了现代新型电子侦察系统的发展需求，它要求频带更宽、灵敏度更高、体积更小。接收前端作为侦测系统的核心部件，承担着低噪音放大、频谱搬移及幅相控制等功能[1]。宽带接收机的频谱利用率高，抗干扰性强，在减小反辐射导弹对雷达的干扰、提高预警机制反应速度、提高弹道导弹的精度、减少导弹的反应时间等方面效果尤为突出。由于接收机的宽带特性，其宽带匹配难度大，往往影响到增益平坦度、噪音系数等指标的实现，这是研制过程中的难点[2]。另外接收机的动态范围和灵敏度是影响整机性能的关键参数，但两者的关系恰恰是相互制约的，因此需要做权衡分析。本文设计实现了一种2～18GHz的超宽带接收机，采用超外差结构，具有宽频带、低噪音、大动态接收等特点。接收机噪音系数小于6.8dB，输入三阶截点值达到-3.6dBm，整个射频带宽内平坦度达到±2.5dB。

1 工作原理及分析设计

1.1 宽带接收方案

在宽带接收机总体方案设计中，频率划分尤为重要，合理的频率选择能够避免高阶交调分量落入带内，并降低各级滤波器的设计难度。本文设计实现的接收机，由于输入信号带宽较宽，考虑首先将接收信号通过宽带调谐器进行一次上变频，调谐本振为Ka波段信号，二中频频点选择在K波段，这需要一款宽频带、大动态的混频器来实现。Ka波段的本振调谐信号由于远离接收最高点信号18GHz，则镜频信号更容易抑制，即采用微带低通滤波器就可以实现60dB的镜频抑制，且插入损耗较小。另外，该低通滤波器还能实现本振抑制，从而保证本振反向辐射指标。2-18GHz射频信号经过一次变频后，要通过一级带通滤波器，滤除干扰信号后再进入二混频器变频至基带频率，一中频信号再经过放大、滤波后输出得到最终输出信号。方案的原理框图如图1所示。

图1 接收机原理框图

1.2 关键指标分析

宽带接收机的设计难点在于，由于宽带混频器的变频损耗指标不佳，以及器件间匹配不良，往往平坦度指标难以实现，因此需要在射频前级设立均衡器。

但利用均衡器对宽带放大进行增益补偿的同时，必将在接收前端引入较多的插入损耗。因此，需尽可能的降低噪音并提高前级增益，确保噪音系数满足系统要求。但增益不能过高，还需保证较高的输入三阶截点值。两个最简单的公式就可以阐释这一组矛盾，见公式（1）和公式（2）。

（2）

公式（1）反映了前级的高增益可以降低均衡器、滤波器以及混频器对噪音的恶化影响。而公式（2）则表明，当后级输出端口的OIP3确定之后，前级的增益越高，则IIP3就越小。在宽带接收机的应用中，OIP3通常主要受宽带混频器的限制，因此需要合理的选取混频器前的增益。

由于接收信号的带宽达到了16GHz，为了满足低噪音指标和输入三阶截点指标，必须选择合适的宽带放大器。根据指标要求进行方案规划，此放大器需要在2～18Ghz频带范围内实现噪音系数小于4dB，输入三阶截点大于-3dBm。同时必须在整个接收频带内增益平坦，满足增益波动小于2dB的要求。尽管放大器在通带内的变频损耗平坦性满足指标要求，但在实际设计中，还需充分考虑了放大器和混频器的级间匹配对接收机整体的增益平坦性指标的影响。可减小走线、连接头对宽带级联系统引入的适配分量，并通过一定的电路调试来实现平坦度要求。

为了同时满足上述几个关键指标，务必进行链路参数的权衡分配，优化方案。

本方案采用高增益的宽带低噪放获得了较好的噪音系数，在低噪放之后混频器之前加滤波器和均衡器的方式，适当降低前级增益，保证了三阶截点指标，同时利用均衡器一定程度的提高了增益平坦度，补偿了混频器输入失配引入的增益波动。当然，还需要选择大动态的低噪放和宽带混频器来保证三阶截点指标。

2 单元电路设计

2.1 宽带增益均衡器的仿真设计

微波增益均衡器的电路拓扑结构通常都是以单个的陷波器作为基础。陷波器由R、L和C组成的一个简单的串联谐振电路，其频率响应特性S21为：

（4）

根据（4）式和级数展开理论，任意响应的波形都可以用无数多的陷波器响应合成[3]。因此，可以把接地的串联谐振电路作为基本单元结构，选择适当的数量，并调节好每个单元中L、R、C的值，则可以逼近任意需要的均衡曲线。

根据实测的两级低噪放级联后的增益曲线，首先拟订了增益均衡器的指标要求，高端信号要比低端信号的插损小4dB。采用五个谐振枝节微带型增益均衡器模型设计电路初值，然后利用三维仿真软件HFSS进行仿真优化。加工后的实测数据见下表。

表1 均衡器测试结果（单位：GHz、dB）

2.2 高抑制度波导滤波器实现

图2 波导滤波器三维模型

由于对滤波器的插入损耗和带外抑制提出了较高的要求，因此选用了体积相对较大的波导滤波器。通过调谐螺钉调节谐振单元的谐振频率，实现窄带滤波。中心频率为K波段点频，带宽700MHz，插损1.5dB,偏离中心2GHz处抑制大于80dBc。滤波器三维结构图见图2所示，测试曲线见图3所示。

图3 波导滤波器测试曲线图

3 测试结果

接收机的内部结构采用了模块化设计，分别为低噪放模块、均衡器模块、混频模块、波导滤波器以及中频放大模块。其中低噪放和中频放大模块采用了微组装工艺，利用金丝点焊将MMIC与微带互联，这样可以避免器件封装的寄生参数影响，适合于宽带应用。

图4 接收机实物照片图

表2 接收机实测结果

4 结束语

本文通过合理的频带选择、增益和噪音系数规划，设计实现了一种2～18GHz频段的超宽带接收机，测试结果表明该接收机具有宽频带、低噪音以及大动态等特点。

[1]宋庆辉，王璇，谭承.18～40 GHz超宽带小型化接收前端的仿真设计[J].无线电工程，2012，8（42）46.

[2]熊文毅.Ka频段低噪音接收前端设计.[J]电讯技术，2011

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

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