1~18GHz 超宽带接收下变频模块的设计研究

王玉红

（南京航天工业科技有限公司，江苏 南京 210001）

当前电磁环境日趋复杂，信息化战争中新的威胁不断出现，侦查监测系统对侦收的带宽和动态要求越来越高。1 ～18GHz 超宽带接收下变频模块将天线侦收的雷达信号变频处理到中频信号进行处理，是侦查监测系统的关键部件，其性能直接影响到整机的指标。本文介绍了一款1 ～18GHz 的超宽带下变频模块的设计，在射频链路进行合理设计的基础上，选用集成化及小型化元器件，通过MCM 提高模块的可靠性和高集成度。

1 链路及原理

侦查监测系统是电子战系统的重要组成部分，理想的侦查监测系统能够以较宽的带宽以及较高的动态和灵敏度信号，而且具有体积小、重量轻、成本低、功耗小、杂散小的特点。本文设计的1 ～18GHz 超宽带接收下变频模块就具有这些特点。其设计的链路是接收信号分为1～6GHz、6 ～18GHz2 个频段，分别送入接收下变频模块对应端口，对于1 ～18GHz 频段的截获信号，在每个通道内先进行限幅、滤波、低噪声放大、功率控制、自检选通后分别用开关滤波滤除谐波及带外信号，再与宽带本振20 ～40GHz 变频至一中频22GHz±0.25GHz/0.5GHz后再开关滤波、放大输出。通过开关滤波可滤除谐波杂散和交调信号。22GHz±0.25GHz/0.5GHz 与本振LO2 信号23.9GHz 下变频至中频信号1.4 ～2.4GHz，经过滤波、数控、限幅放大、开关滤波后送至高速A/D 处理。

根据功能需求，接收下变频模块采用如图1 的原理框图来实施方案。

图1 接收下变频原理框图

2 主要指标分析

2.1 噪声系数及增益分析

接收下变频模块处理小信号功率范围为：-75 ～-35dBm，线性输出功率为-45 ～-5dBm，因此要求整个链路线性增益大于30dB。另为满足征收信号灵敏度的要求，模块的噪声系数小于8dB。根据噪声理论，系统的噪声系数主要取决于前级放大器的噪声系数，在前级放大前，链路的所有损耗都计入噪声。因此，为了满足噪声指标，应尽量选用低损耗器件，限幅器、高通滤波器以及单刀双开关的插损直接影响组件噪声系数。而放大器尽量选用低噪声的芯片是至关重要的。

该限幅器芯片在1 ～6GHz 带内最大损耗约为0.2dB，6 ～18GHz 带内最大损耗约为0.6dB，考虑集成后的驻波匹配、个体差异、微带线损耗等因素，理论计算时改器件采用值分别为：0.4dB@1-6GHz，0.8dB@6-18GHz。

高通滤波器损耗最大值为：2.1@1GHz。

单刀双开关插损特性理论计算的损耗值为：1.8@6GHz,2.5@18GHz。1 ～6GHz 通道中stage1 的总损耗约为0.4+2.1+1.5=4dB，这将完全叠加到链路的噪声系数中。

低噪声放大器，其频率需要覆盖1 ～6GHz，噪声系数尽量小，增益约20dB 左右，P-1 相对高点，首先要保证输入功率为（Pimax-G）dBm 的信号进入放大器时不会饱和，其次要保证三阶互调产物尽量小。故所选的低噪声放大器的增益约为20dB，噪声系数最大为2.5dB。

由于空间辐射以及器件特性的限制，衰减动态为60dB 的数控衰减器单独通过1 个单片来实现比较困难，虽然目前市场上也有60dB 衰减动态的单片，但其性能较差，在宽带应用不太合适。因此我们采用单片加开关切换相结合的方式来实现。

放大器主要起补偿链路损耗的作用，一般放大器即可，不做特别要求；由于射频器件的特性，使得高频损耗大，低频损耗小，所以应进行幅度均衡补偿，均衡器就是为达到这一目的而设置的，这可以根据实际调整，这里主要考虑数控衰减器和开关滤波器组的设计。前级为一最大衰减31dB 的单片，后级用2 只开关实现0/30dB切换，级联合成60dB 的衰减动态。这种方式具有宽频带下衰减特性好的优势，其损耗约为3.8@6GHz。

滤波器是射频系统中不可或缺的器件，它起滤除杂波提取有用信号的作用。通常选用的滤波器有LC 滤波器、腔体滤波器、介质滤波器、声表面波滤波器、mems 滤波器等，它们各有应用优势。单从滤波器特性上来说，腔体滤波器无疑是比较好的，但其体积较大。本次设计由于受到体积小型化的限制，应尽可能少用体积较大的腔体滤波器。本开关滤波器组主要起到预选滤波的作用，主要是通过滤波器的选择完成通带的划分，滤除谐波的作用。综合考虑采用LC+mems 滤波器的方式设计SP6T 开关滤波器组。1 ～1.5GHz 和1.5 ～2GHz 采用LC 方式，其他频率采用mems 滤波器。

综上各器件，stage3 的增益约为15dB，噪声系数大约为9dB。

由于混频器各端口处于失配状态，一般要在输入输出端口配上一定的衰减，以改善信号反射。考虑到这些，理论计算中stage4 的损耗约为14dB，噪声系数也约为14dB。

stage5 为一中频环节，包含1 个单刀三掷开关滤波器组，1 只增益补偿放大器，1 个单刀双掷开关以及1 个功分器。跟上述一样进行分析增益约为10dB，噪声系数大约为12dB。

Stage6 为混频器，其损耗约为14dB，故噪声系数大约为14dB。

stage7 为二中频环节，二中频分为2 个支路，其组成和功能基本相同，仅工作频率有所不同，为方便分析，这里以第一支路为例说明。二中频第一支路工作频率为1.4 ～2.4GHz，链路组成上包含1 个带通滤波器、2 个补偿数控衰减器、1 个SPDT 开关滤波器组、1 个功分器以及若干放大器。通过适当的器件选型和设计，可以使链路噪声系数小于5dB。

利用级联系统计算软件得出链路的噪声和增益指标，可以使1 ～18GHz 链路噪声系数小于8dB，而增益大于30dB。

2.2 动态范围分析

整机要求接收信号的动态范围为80dB，即截获信号电平为-75dBm ～5dBm。一般地，受到放大器特性的限制，能实现的瞬时动态一般为40 ～50dB，当大信号进入前端放大器时，很容易造成饱和。为实现80dB 动态，必须在接收前端通道中引入手动功率控制单元。本设计前置低噪声放大器前后各有1 个SPDT 开关，共同组成1bit的输入功率控制电路，为方便说明，记这一控制单元为U1；在前端通道中另外再引入1 个60dB 动态的数控衰减器，记为U2。假设前置低噪声放大器增益为20dB，这2个功率控制单元工作流程如下：

当输入信号功率为-75dBm ～-35dBm 时，U1 单元开通放大支路，U2 单元处于无衰减状态；

当输入信号功率为-55dBm ～-15dBm 时，U1 单元开通放大支路，U2 单元根据需要置合适的衰减态；

当输入信号功率为-35dBm ～+5dBm 时，U1 单元开通直通支路，U2 单元根据需要置合适的衰减态。

这样，通过控制2 处的衰减就可以手动实现80dB 的征收动态。

2.3 平坦度分析

模块的线性增益平坦度是一个很重要的指标，众所周知，任何器件的传输特性都是随频率变化的，在工作频率范围内，增益传输曲线的最大值和最小值的差值即为增益平坦度。影响系统平坦度的因素主要有以下几个方面。

独立器件自身的增益（损耗）波动。任何独立器件都存在一定的平坦度波动，在多个器件级联的情况下，这些波动将互相叠加，某些频点加强，某些频点减弱，这样使得级联后的总平坦度增大。

不同器件级联时的驻波匹配。每个独立器件都存在一定的反射驻波，当2 个器件级联时，反射驻波的大小也决定了级联后的增益波动大小。一般地，反射驻波越大，级联的增益波动也越大。因此，要改善不同器件间的匹配情况。

环境温度。环境温度主要影响系统增益的大小，从而影响系统在高温和低温时的工作能力。一般地，高温增益小，低温增益大。

为保证模块的整体平坦度满足指标要求，在设计中应采取以下措施。

器件选型。尽量选择自身平坦度较好、反射驻波小的器件。

在反射驻波较大的2 个器件之间加入适当衰减器，改善匹配，如混频器前后。在二中频增加一个温度补偿衰减器和1 个平坦度补偿衰减器。

温度补偿衰减器用来减小温度对模块平坦度的影响，针对不同温度，设置衰减器处于不同衰减状态，从而使模块在不同温度下整体平坦度保持在较小的变化范围内。模块典型的中频瞬时工作带宽为1GHz，而输入频率为一宽带信号，任意1GHz 的输入信号通过频率变换到中频后，其变频增益是不同的，平坦度补偿衰减器正是为了减小这一变化而设计的。通过软件编写校正表，可以使宽带输入信号在中频处理环节具有较小的增益变化。

电路中增加均衡器。几乎所有的射频器件增益（损耗）随频率变化关系都具有负斜率的特性，而均衡器具有正斜率特性，可以通过在电路中增加均衡器来平衡这种变化，使链路的高频和低频特性变化较小。

2.4 带内杂散分析

接收下变频模块采用二次混频的超外差接收方式，产生杂散主要在一混频和二混频环节。混频器是1 个非线性器件，对fi 和fL2 个输入信号会产生±m*fi±nfL 频率分量，其中只有1 个分量为有用信号，其余均为杂散信号，若不滤除，就会影响系统工作。由于二混频的输入频率和本振较高，中频频率较低，高次交调分量落在带内的功率很小，因此模块的杂散主要来自一混频环节。

欲降低混频器产生的杂散信号，可以从以下方面采取措施。

选择高IP3 的混频器件；合理选取本振频率和中频频率，将产生的交调信号移到带外，通过滤波器滤除。

对于1 ～18GHz 输入信号，一混频是一个上混频环节，输入信号为fi，本振为fl，输出fo=fl-fi，由于本振频率比输入射频信号频率高，本振的多次分量已很高，因此主要考虑的杂散信号有：

本振频率的泄漏；fl-2*fi 交调信号；

输入信号的2 次谐波2*fi。

方案中，为解决10 ～12GHz 信号二次谐波会落入21.5 ～22.5GHz 带内的问题，特将10 ～12GHz 输入信号变频至25.5 ～26.5GHz，其他频率均变频至21.5 ～22.5GHz，只需将中频滤波器的抑制做好，就可以解决本振频率和可能产生的交调等杂散信号。

综上，通过合理设计，选择合适的混频器和滤波器可使杂散信号抑制在指标要求范围内。

3 实现的技术指标

以下是实现的各主要指标，见表1。

表1 实现的各主要指标一览表

4 结构设计

根据要求，接收下变频组件为模块化，装入1 个机盒中，根据机盒中的预留空间以及链路排布情况，模块外型设计如图2 所示。

图2 接收下变频模块外型图

5 结语

本文设计研制的1 ～18GHz 超宽带接收下变频模块，对模块的指标设计进行了详细的分析，同时对关键元器件指标进行了分析，实现了1 ～18GHz 的超宽带具有低噪声、高动态、杂散小、功耗小、重量轻、体积小的特点，并在雷达侦收监测系统中得到应用，实际测试的指标均满足技术使用要求，使用效果较好。