大动态范围Ku波段下变频设计

中国电子科技集团公司第二十研究所 李宝新

本文主要是对一种大动态范围的Ku波段下变频模块的设计，硬件电路上下分腔解决多通道变频设计时本振信号走线交叉问题，一中频上下穿腔的方式抑制高低频信号的串扰，提高链路的谐杂波抑制度。通过测试结果可以看出，下变频模块的增益≥46dB，实现了两种中频带宽15MHz和30MHz，通道的谐杂波抑制≥60dBc，通道的动态范围80dB，能够满足模块技术指标要求。

随着电子信息技术的迅猛发展，雷达的探测距离越来越远，接收信道作为获取电子信息的前端设备，对高灵敏度和大动态范围的需求越来越强烈。高灵敏度大动态范围的接收信道对电子信息接收系统起着越来越重要的作用。接收信道的灵敏度和动态范围指标存在一定的矛盾，同时要保证接收信道的线性度，防止信号经接收信道后失真，从而影响后端数字解调。为了提高数字解调的灵敏度，就需要接收信道提供较好的谐杂波抑制度。

本文介绍了采用超外差式接收机设计实现了Ku波段下变频模块，详细论述了下变频模块的理论分析，并通过硬件电路的上下分腔设计解决多通道变频设计时本振信号走线交叉的问题，一中频信号上下穿腔设计的方式抑制高低频信号的串扰，提高链路的谐杂波抑制度。实现了大动态范围，集成度高，通道的隔离度大和谐杂波抑制好的要求，测试结果表明模块的性能完全满足指标要求。

1 下变频模块技术要求

Ku波段下变频模块的主要技术指标：

（1）通道数：3路；

（2）射频输入功率：15.8GHz～16.2GHz；

（3）增益：45dB±1dB；

（4）输出频率：140MHz，带宽15MHz和30MHz；

（5）输出谐杂波抑制：≥60dBc。

2 链路设计

2.1 链路设计框架

对于级联线性网络，其级联的噪声系数为：

式中，NFn表示第n级放大器的噪声系数，Gn为第n级放大器的增益。式(1)可以看出，下变频链路设计中前级的放大器要求噪声系数尽可能的小，增益尽可能的大，从而更好的保证链路的噪声系数指标。

接收机的灵敏度计算公式为：

式中NF为链路的噪声系数，SNR为满足一定误码率所需的最低信噪比，B为信号带宽。式(2)可以看出，当链路的工作带宽一定时，最低信噪比通常是AD决定的，因此要提高链路的灵敏度要求链路的噪声系数要尽可能的小。

无寄生动态范围的公式为：

因此为了使链路的杂散信号小，需要IIP3尽可能的大。

下变频模块主要包含放大器、滤波器和混频器组成。射频信号经过STC有效提高动态范围之后进行放大，放大的信号进入混频器通过滤波放大再进行二次混频滤波和放大。一次混频前的增益过大一方面会造成混频的谐杂波较大，另一方面会降低通道的线性动态范围，因此本设计中大部分的增益均分配到二次混频之后。混频后的信号含有大量的谐杂波信号，因此在进行二次混频前需要先进行滤波，但是带通滤波器对于远端信号的抑制度不高，因此再加一级低通滤波器对远端信号进行抑制。为了提高输出杂散的抑制度，要求前级的放大器工作在良好的线性区。

2.2 链路设计与测试

通过硬件上下分腔设计后，上下腔体均只有一种本振信号需要与射频信号进行混频，本振信号的功分、放大、滤波处理可以在盒体的一侧完成。上腔体混频产生的一中频信号利用同轴线缆穿孔到下腔体中，可以有效防止射频信号通过空间辐射串扰到中频信号，链路上的串扰和一次混频的谐杂波信号可以通过一中频的带通滤波器有效滤除，从而提高链路谐杂波的抑制度。设计方案示意图如图1所示。

图1 盒体设计示意图

电路实物图如图2所示，测试结果如图3所示。

图2 电路实物图

图3 测试结果

通过测试得到，通道的增益为46dB，谐杂波抑制度为63dBc，通道的中频带宽为15MHz和30MHz两种模式，满足指标要求。

结论：本文通过理论分析，ADS仿真和实物测试完成了Ku波段下变频模块的设计，测试结果验证了设计的可行性，满足技术指标要求。硬件电路上下分腔设计解决多通道变频设计时本振信号走线交叉问题，一中频利用同轴电缆上下穿腔的方式抑制高低频信号的串扰，提高链路的谐杂波抑制度。Ku波段下变频模块实现了输入信号的大动态范围，高集成度，低成本，谐杂波抑制好的特点，对于该类下变频模块组件的设计具备较好的参考价值。