S波段小型化接收通道设计

石 超，王乔楠，王元佳，任玉兴(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

0 引 言

在航空、航天技术突飞猛进的今天，平台装机设计不断增加空间、重量、功耗要求，与航行速度、续航时间的矛盾非常突出，对航空装备轻量化、小型化的设计需求强烈[1]。要实现电路整体设计的小型化，就要从复杂、繁琐的级联电路设计中解脱出来。本文利用薄膜体声波谐振(FBAR)滤波器、声表面波(SAW)滤波器、微波单片集成电路(MMIC)有源芯片微组装薄膜工艺来实现通道小型化，最后对该接收通道进行测试，性能满足指标要求。

1 电路原理

1.1 电路原理及主要技术指标

本文采用薄膜混合集成电路设计实现工作频率2 492 MHz±6 MHz的小型化接收前端。指标要求如下：

(1) 本振(LO)频率2 382 MHz；

(2) 射频(RF)频率2 492 MHz±6 MHz；

(3) 中频(IF)频率110 MHz±6 MHz；

(4) RF功率-130 dBm～-55 dBm；

(5) 增益≥50 dB；

(6) 噪声系数≤3.0 dB；

(7) 中频端口对本振抑制≥55 dBc；

(8) 镜像抑制≥70 dBc；

(9) 中频信号谐波抑制≥40 dBc；

(10) 输出三阶截点≥30 dBm；

(11) 当1 615 MHz干扰信号以15 dBm输入时，保证低噪声放大器线性工作。

1.2 设计方案

S波段接收模块主要由两级FBAR滤波器、一级射频低噪声放大器芯片、混频器、三级中频放大器芯片及声表SAW滤波器芯片构成。FBAR滤波器体积大小为1.0 mm×1.0 mm×0.4 mm，比传统介质滤波器体积小几十倍，如图1所示。低噪声放大器芯片尺寸为2.6 mm×1.2 mm×0.2 mm，如图2所示。

利用微组装薄膜工艺，将芯片用导电胶粘接到薄膜基片上，输入输出用金丝键合将芯片互连。注意键合金丝的条数与跨距，一般低于8 GHz以下，键合金丝条数一般为2根，更高频率采用3根甚至4根金丝[2]。该模块的作用是对从天线接收过来的微弱射频信号放大、变频成中频信号，再放大及抑制干扰信号，接收模块原理图见图3。为了让各个模块间匹配更加良好，在模块间加一些宽带衰减器，同时也可以起到调节增益大小的作用。

图1 FBAR滤波器芯片

图2 低噪声放大器芯片

图3 接收模块原理图

2 接收通道主要指标设计分析

2.1 灵敏度与噪声系数设计分析

灵敏度是衡量接收机检测弱小信号能力的重要指标[3]。接收通道灵敏度计算公式为：

Smin=-174+10lgB+Fn+σSNR

(1)

式中：Smin为灵敏度，单位为dBm；B为中频带宽，单位Hz；Fn为噪声系数，单位dB；σSNR为检波识别门限(S/N)/N，单位为dB。

由公式可知，接收通道灵敏度主要由噪声系数和中频带宽决定。一般系统中，中频带宽都是固定的参数，所以只有减小噪声系数才是提高灵敏度的有效方法。

噪声系数是表征接收通道元件内部的输入和输出之间的信噪比递降的一种量度。由于接收通道由滤波器、放大器和混频器等组成，级联电路的噪声系数就是接收通道的总噪声系数。

计算总噪声系数公式为：

Nf=Nf1+Nf2-1/G1+Nf3-1/G1G2+…

(2)

从公式可以看出，当G1很大时，总噪声系数取决于Nf1。对于无源器件，插入损耗即代表该器件噪声系数。低噪声放大器是实现接收通道低噪声系数的关键器件。低噪声放大器要有低的噪声系数、较大的增益，这些对于总噪声系数起决定性作用。

在本方案设计中，由于要使得该模块小型化，采用自主设计的FBAR滤波器。该滤波器插入损耗为1.5 dB，如图4所示。该图是由实测的S2P文件仿真出的结果。

图4 FBAR滤波器技术指标

低噪声放大器芯片采用BW276，噪声系数为0.8 dB，如图5所示。增益为28 dB，如图6所示。

图5 BW276噪声系数

图6 BW276增益

表1为接收通道器件的选择。

通过软件计算得出总噪声系数为2.54 dB，理论值满足指标要求，见图7。

2.2 干扰信号与镜像频率信号设计分析

当一个强干扰信号进入接收机输入端后，假如输入端口电路抑制不良，会使前端电路内的放大器工作于严重的非线性区域，甚至完全破坏放大器的工作状态，使输出信噪比大大下降。当信号过强时，可能导致放大器正常工作状态被破坏，产生了完全堵死的阻塞现象[4]。

表1 为接收通道器件参数

图7 噪声系数、增益及三阶截点图

由于接收前端有干扰信号功率在15 dBm，并且保证低噪声放大器线性工作，所以在低噪声放大器前端加入带通滤波器来抑制这个干扰信号。由于低噪声放大器增益为28 dB，输出1 dB压缩点功率为12 dBm，所以要保证滤波器对1 615 MHz抑制为30 dBc以上，低噪声放大器才会线性工作。选用FBAR滤波器，该滤波器面积大小为1.0×1.0 mm2。由于该波段可以用介质滤波器和声表滤波器，但是它们的面积都远远超过FBAR滤波器大小。实测FBAR滤波器指标为：对1 615 MHz抑制为37 dBc，如图4所示。当15 dBm干扰信号进入后，放大器也会正常线性工作。

本方案采用超外差结构接收模式，该结构通过选择适当的滤波器获得极佳的灵敏度和选择性。最大的特点是组合干扰频率比较多，最严重的是镜像频率干扰。本文选用的滤波器对2 272 MHz镜像频率抑制为35 dBc以上，如图4所示。两级镜频滤波器对镜像频率抑制能够达到70 dBc以上。

2.3 输出三阶截点分析设计

接收通道由滤波器、放大器及混频器等多级模块构成，每一级模块都在一定程度上存在着非线性失真。接收通道的非线性失真一般用三阶互调截点来描述。因此，提高接收通道的线性度主要就是提高接收通道的三阶截点。接收通道的三阶截点与各级模块的三阶截点、增益等指标存在一定的制约关系。

此接收通道总的三阶互调截点IIP3公式为：

1/IIP3=1/(IIP3)1+G12/(IIP3)2+(G1G2)2/(IIP3)3+…

(3)

式中：IIP3为接收通道的三阶互调截点[5]；(IIP3)1和G1分别为第1级电路的三阶互调截点及增益；(IIP3)2和G2分别为第2级电路的三阶互调截点及增益；(IIP3)n和Gn为第n级电路的三阶截点及增益。

由公式可知，要改善接收通道三阶互调截点，必须提高各级模块的三阶互调截点。当各级模块三阶互调截点一定的情况下，还可以通过适当改变各级的增益来提高接收通道的三阶互调截点。

由于增益要求大于50 dB，考虑到混频的变频损耗10 dB、中频声表滤波器的插入损耗14 dB，同时要兼顾输出三阶截点的要求，选用HITTITE公司生产的HMC128混频器芯片和安华高的中频放大器芯片。第1级中频放大器为ABA-31000，增益为18 dB，输出三阶截点为18 dBm；第2级中频放大器为ABA-32000，增益为18 dB，输出三阶截点为28 dBm；末级放大器为ABA-62563，增益为18 dB，输出三阶截点为34 dBm。通过计算，结果见图7，通道的增益为55 dB，输出三阶截点为33 dBm，满足指标要求。

2.4 腔体分析设计

为了避免外界环境对器件性能的影响，一般设计腔体来保护器件[6]。在射频电路中，一个封闭的腔体管壳相当于谐振腔。因此在设计腔体时，要避免腔体在放大器的工作频率范围内产生谐振导致放大器自激。如果一个腔体内放大器的总增益超过40 dB，就会很容易引起放大器自激。若腔体的长、宽、高分别为l，a，b并满足l>a>b时，可以得到谐振条件为：

(4)

式中：p为谐振波沿谐振腔纵向分布的半驻波数；λp0为谐振腔波长。

λp0与工作波长λ0的关系为：

(5)

(6)

式中：λc为截止波长；m,n=0,1,2…。

将式(4)和式(5)代入式(6)得：

(7)

给定腔体下的谐振频率不止一个，而有无限多个。设计腔体管壳大小要使谐振腔的谐振频率远离器件的工作频率。本方案中管壳大小为28 mm×20 mm×4 mm，通过软件仿真计算该管壳谐振频率为9.2 GHz左右，见图8。本文中选择的放大器在该频率点的总增益已经远远小于40 dB，所以这个接收通道输出端口不会因为谐振而自激。

图8 管壳谐振仿真图

3 测试结果与分析

采用矢量网络分析仪、噪声系数分析仪等设备对多套模块进行测试，全温环境下其测试结果如表2所示。

表2 测试结果

由于在电路中加载了温补衰减器，可使增益值在高低温环境中保持在53～55 dB之间。噪声系数2.8 dB与理论计算2.5 dB有区别，经分析由于该模块所用的管壳为表贴元器件，表贴元器件管腿应

用在高频率频段时，插入损耗会更大，所以造成了该模块噪声系数变大。接收通道实物图如图9所示。

图9 接收通道实物图

4 结束语

该模块设计指标满足用户指标要求，利用MMIC和微组装技术大大减小接收通道的体积，降低雷达体积、重量，提高整机性能、质量和可靠性。随着单片集成电路技术的迅速发展，高密度、高可靠的微电子技术更能满足现代化雷达的要求。

[1] 李建森.具有通用性的小型化接收前端设计[D].成都：电子科技大学，2011.

[2] 陈兴国.新型的轻小型化雷达接收机的研制[J].电子应用技术，2005(5)：57-59.

[3] 蒲蔚妮.L波段收发组件接收通道的设计分析[J].电子技术与软件工程(55)：53-55.

[4] 梁博.一种接收超宽射频信号的方法研究与仿真分析[J].舰船电子对抗，2016，39(2)：41-45.

[5] 黄佳.S波段射频收发前端的研究与实现[D].成都：电子科技大学，2010.

[6] 汪婷.S波段低噪声放大器研究与设计[D].南京：南京理工大学，2013.