一种小型化宽带射频接收机的设计

胡小兰 殷军 陈丽

1引言

微波综合测试仪在单台仪器上可完成信号发生、信号分析、频率测量、功率测量、时域测量、网络分析和调制域分析等多种仪器功能，各单元既可独立工作，也可通过软件组合调度和管理，实现发射机、接收机、T/R组件以及其它各类部件的多参数综合检测，由于集成度高，测试功能丰富，是微波测试领域非常受欢迎的测试设备。便携式微波综测仪主要用于雷达、电子对抗及通信等复杂电子设备的现场测试维护和故障排除等，对带宽、轻量化、便携性需求较高。本文以便携式微波综合测试仪项目中信号分析功能为要求，从方案选择、通道增益以及噪声系数仿真优化与滤波器的仿真优化等方面介绍了频率范围、灵敏度和镜频抑制都较高的射频接收机的设计。

2具体设计要求

①频率范围：

30 kHz ～ 26.5 GHz。

②噪声系数（前放开）：

≤16 dB<7.6 GHz；

≤17 dB 7.6 ～ 13 GHz；

≤19 dB 13 ～ 20 GHz；

≤20 dB 20 ～ 26.5 GHz。

③通道损耗：

6 dB±3 dB<7.6 GHz

10 dB±4 dB 7.6 ～ 13 GHz；

13 dB±4 dB 13 ～ 20 GHz；

16 dB±4 dB 20 ～ 26.5 GHz；

④鏡频抑制：≤-50 dBc。

⑤重量：≤400 g。

3整体方案设计

由于射频输入范围为30 kHz ～ 26.5 GHz，频带宽，为保证镜频、中频等杂散抑制及灵敏度等指标，射频前端采用多级下变频的超外差方案。射频前端主要由衰减器、输入滤波器和混频器组成，在高频印制电路板上实现，相比微波腔体方案，电路板方案体积更小、重量更轻、成本更低、可生产性更好。射频前端结构上采用外加密封的铝金属腔屏蔽，射频、本振输入信号和中频输出信号采用同轴到微带转换连接器，直流偏置和控制信号通过扁平电缆引入，功能电路之间采用金属墙隔离，金属墙侧壁涂导电胶，金属腔内加吸波材料，整个射频接收前端模块具有良好的EMC特性。

为降低所需的频率范围，同时优化混频方案，提高镜频滤波器实现的可行性，30 kHz～26.5 GHz划分为波段1～3，而波段3又细化为波段3～9，详细划分如表1所示。

4设计、仿真与试验

4.1通道增益指标的分配与仿真

以18 GHz频段为例，将衰减器、开关等损耗性器件合并为衰减器进行简化，在混频器和放大器不压缩的前提下，前端的衰减应尽量小，放大器应选大增益低噪声类型，对各部分的损耗和噪声系数进行指标分配与计算，简化后的框图和计算仿真结果满足设计要求。

4.2镜频抑制滤波器的设计与仿真

为了有效抑制镜像和多重响应，将整个频段划分为3个波段分别进行混频与滤波，1～2波段采用高中频方案，因为高中频方案可大大简化滤波器的设计，第3波段又根据滤波器的带宽、带外抑制和制作难度，细化为6个波段进行带通滤波，在扫频时通过控制开关进行波段切换和衔接，针对其中的一些波段进一步增加低通或高通滤波电路，加强对镜频和干扰信号的抑制。因该滤波器为反射式，其在阻带频段中往往产生很强的空间辐射功率，为了有效屏蔽空间辐射和减小占用空间，第3波段采用带状线滤波器。因为带状线位于内层，有参考平面屏蔽，屏蔽效果更好、辐射更小，其电磁场均匀的分布在导带的上下两侧，受到的干扰也小，不需要额外设计屏蔽结构，在印制板上节省出大量空间。从采用8层RO4003C印制板制作的18 ～ 21 GHz带状线带通滤波器的实际电路图、X光照片及插损测试曲线图中可以看到，插损、带宽、带内平坦度都较好，而其镜频（10.8 ～13.8 GHz）抑制≥55 dBc，在通路上再适当增加高通滤波，可防止不同批次做板工艺差异带来的结果差异，保证该指标的多次生产全通过。

4.3低回波损耗过孔设计

由于带状线结构对外辐射较小，设计中多采用带状线结构，因此需要通过垂直互连（垂直过孔结构）进行换层，在射频和微波频段，垂直互连与邻近的传输线间存在不连续性，从而会引起信号反射，随着频率的升高，这种不连续性还将呈现出辐射特性，反射和辐射随着频率的升高越来越强，会严重影响信号的传输，甚至在某些频点会产生谐振，加大对传输信号的损耗，所以在设计时不能很好地处理过孔连接问题将对整个电路造成严重影响。因此设计中需要将过孔的影响因素降低到最小，为避免“短柱效应”导致阻抗变化剧烈，可将过孔设计为盲孔或埋孔。通过HFSS仿真软件进行仿真优化设计，优化过程中加入特殊阻抗匹配提高过孔的回波损耗指标。

通过对未经匹配和经过特殊匹配的1～4层的信号传输过孔仿真曲线对比，可看出加入特殊阻抗匹配的优化过孔回波损耗指标在26 GHz频率、28 dB以上，明显好于一般设计过孔指标，在本设计微带线到带状线的转换中起到重要作用。

5结束语

本文介绍了一种宽带射频接收机设计方法，电路在微波印制板上实现，达到灵敏度高、镜频抑制好、体积小、重量轻以及可生产性好等效果。电路已成功运用于某微波综合测试仪和频谱分析仪产品，已在现场和外场电子设备的测试中发挥重要作用。