X波段变频模块设计方案

关键词：变频模块；噪声系数；镜频抑制

中图分类号：TN913.3 文献标识码：A

0 引言

变频模块可在雷达系统中作为接收机的前端，一般由带通滤波器、低噪声放大器和下变频器组成。该模块可将雷达天线接收的频率向下变换为中频，在中频，物理上才可能实现具有较理想通带特性的滤波器。

1 变频模块原理

变频模块完成8 路射频（radio frequency，RF）信号下变频至中频，并将外部提供的一路本振信号进行八功分作为8 路变频本振[1]。

射频信号经数控衰减后进入低噪放，经射频带通滤波器后进入同相正交（I/Q）混频器，与本振信号进行混频，产生中频信号。中频信号依次经过放大1、带通滤波、数控衰减、放大2、低通滤波后，得到带宽为20 MHz 的中频信号。

射频数控衰减器的参数为：10 dB 步进、总衰减范围为0 ～ 30 dB （2 bit）；中频数控衰减的参数为：2 dB 步进、总衰减范围为0 ～ 30 dB（4 bit）；总共6 bit，衰减范围为0 ～ 60 dB。

2 变频模块关键指标分析

2.1 基础指标

通过软件可以计算出链路的总增益、噪声系数及中频输出1 dB 压缩点。

2.2 带内平坦度

影响带内平坦度的因素主要为：①器件的带内平坦度。射频低噪放选用的是正斜率的放大器，中频放大器选用的是负斜率的器件，可相互抵消一部分。数控衰减器选0e733e73c3ac4e8a35e78ba2224ec0fa45f528d2fddd68d9eefbc61ecc31ed81用的均是宽带平坦度好的器件。②器件之间的匹配。在链路中器件之间的失配会造成增益带内不平坦，尤其是驻波较差的器件，所以在器件之间预留了调试位置，通过外加匹配电路使信号在整个中频带内平坦度合格。

2.3 镜频抑制

镜像抑制[2] 由I/Q 混频器和电桥决定。本设计方案中选择的I/Q 混频器的镜像抑制优于35 dB，满足系统要求。

2.4 谐杂波抑制

谐杂波受限因素包括本振杂散、射频/ 本振泄漏、中频信号谐波。

2.4.1 本振杂散

需要严格控制泄漏到中频带内的本振杂散。一方面在本振电路中加强滤波；另一方面选择具有高通特性的本振放大器，以达到滤除本振杂散的目的。

2.4.2 射频/ 本振信号

中频链路上有多级低通、带通滤波，且中频放大器、衰减器均呈低通特性，因此射频/ 本振信号的泄漏指标可以满足系统要求；射频/ 本振泄漏主要来自模块内部空间，可以通过加强盖板隔离措施来解决。

2.4.3 中频信号谐波

中频链路上布置了带通、低通滤波器，且输出端加谐波抑制比好的低通滤波，因此保证了中频谐波抑制比。

2.5 带内群时延波动

带内群时延波动主要由滤波器决定，射频滤波器的群时延≤ 2 ns，中频滤波器的群时延≤ 8 ns，总计满足≤ 10 ns 的要求。

2.6 通道间隔离度

通道间隔离度受限于3 个方面：链路自身的隔离、电源隔离和空间隔离。

2.6.1 链路自身的隔离

链路上只有本振存在连接关系，隔离环路为：混频器1→ 本振驱放1→ 功分器→ 本振驱放2→混频器2。

隔离度分别为：-20 dB（ 混频器隔离）、-40 dB（本振驱放1 反向隔离）、-18 dB（功分器隔离）、22 dB（本振驱放2 增益）、-20 dB（混频器隔离）。经计算得出：隔离度达到76 dB，设计指标的余量较大。

2.6.2 电源隔离

电源隔离主要由旁路滤波电容保证，每个馈电点都增加了旁路滤波器电容，保证通道间的电源隔离达到45 dB 以上。

2.6.3 空间隔离

通过在盖板上加隔离条实现空间隔离，空间隔离度预计达到50 dB 以上。

2.7 多通道增益一致性

影响多通道增益一致性的主要因素包括射频接头/ 多层板装配一致性和器件一致性。由于射频带宽较宽，幅度一致性预计达到±0.7 dB（调试量较大）。

2.7.1 射频接头/ 多层板装配一致性

通过装配工艺保证射频接头/ 多层板装配一致性，严格控制焊膏/ 焊锡量、烧结温度/ 时间，烧结完成后，抽样进行X 光检查，其主要用于封装好的产品内部检查，或烧结好的器件底部与基片黏结情况的检查，剔除不满足接地要求的模块。

2.7.2 器件一致性

采购器件时，针对器件的重要参数（增益/ 插损、回波损耗等）进行筛选，确保器件具有良好的幅度一致性。同时在链路上预留π 型衰减器以补偿幅度差异。

2.8 多通道相位一致性

影响相位一致性的主要因素包含射频接头/ 多层板装配一致性、射频线电长度一致性、金丝键合长度和器件一致性。多通道间的相位一致性能达到±10°。

2.8.1 射频线电长度一致性

不同通道的射频线电长度一致性控制在0.1 mm以内，同时加工误差会引入额外的不一致性，在链路中加小步进的调相器以补偿射频线电长度的差异。

2.8.2 金丝键合长度

由于模块工作频率达到10.5 GHz，金丝键合长度带来的相位不一致性是显著的，因此在金丝键合工艺环节中需严格控制金丝键合长度及位置。

2.9 变频模块功耗统计

电源转换效率，直流转直流电源（DC-DC）为85%，低压差稳压器（low dropout regulator，LDO）为90%（5.5 V 转5 V）。变频模块采用的供电电压为12 V。

3 电路布局

模块的整体布局分为3个部分，包括射频部分、中频部分和电源部分[3]。输入射频部分选用的器件大部分为裸芯片，采用独立的密封腔结构，内部盖板加隔墙以分隔8 路信号，外盖板采用激光封焊。混频后的中频部分均为封装器件，故不考虑密封性，只考虑信号的滤波及隔离。电源部分主要将外部12 V 的供电电压稳压后，给射频部分和中频部分提供所需电压和电流。

3.1 射频印制板

射频印制板主要集中了数控衰减器，低噪放，滤波器及I/Q 混频器。背面主要是对本振信号的一分八功分器（射频器件）。为了使变频模块实现其轻、薄、小的结构特点，采用射频多层板的设计方案。

3.1.1 材料选择

材料选用ROGERS 公司的RO4350B 碳氢陶瓷填充板（ 芯板） 和RO4450F（ 半固化片），RO4350B 属于高频微波材料，在X 波段性能优良。

3.1.2 叠层分布

本设计共采用6 层板，第1 层和第6 层为射频层；第2 层和第5 层为接地（GND）层；第3 层为电源层；第4 层为控制信号层。射频、电源和控制信号之间有地层隔离，最大限度地减小干扰，避免引入其他射频信号。

3.1.3 盲孔规划

整个基板共包括3 阶盲孔结构，分别为1 ～ 2 层盲孔、1 ～ 4 层盲孔、5 ～ 6 层盲孔和1 ～ 6 层通孔，利用地孔加强通道间和波束间的板上隔离以避免泄漏情况。多层板盲孔规划如图 1 所示。

变频模块采用多层板将控制电路和射频电路相结合，减少了连接器和飞线，提高了模块可靠性。功分器大部分采用微带线设计，功分器在表层，中间层为电源和控制线。射频印制板如图 2 所示。

3.2 中频印制板

中频印制板主要集中了数控衰减、放大器及中频滤波[4]。由于空间不够，为布板方便采用了4 层板，第1 层为射频层；第2 层为GND 层；第3 层为电源层；第4 层为控制信号层。第1 层的射频信号频率不高，但为了保证相位的一致性，顶层基片依然采用ROGERS 公司的RO4350B 碳氢陶瓷填充板（芯板），RO4350B 属于高频微波材料，在X 波段性能优良，介电常数均匀，相位一致性较好。其他层为电源及控制信号，采用附着力强的低频板材FR-4。

4 结构设计

变频模块是3U 尺寸VPX 板卡，模块三维结构如图3 所示。

射频部分是独立密封腔，输入为烧结的SMP高频接头，输出和控制均为烧结的玻珠[5]。

要保证隔离度的指标符合要求，还需要考虑内部空间辐射的因素，消除空间辐射的具体方法如下。

（1）电源线上采用不同容量的电容对不同频率的干扰信号进行滤除。

（2）采用金属腔体屏蔽模块外的信号。

（3）内部盖板将每路信号分成8 个相对独立的腔，每个输入端之间增加隔墙以阻挡辐射信号。

（4）最大限度地降低信号的相互串扰。

考虑到模块内部有裸芯片，所以其中的射频部分采用激光封焊的方式进行气密封装。根据激光封焊工艺，模块采用下沉式盖板结构，腔体与盖板的配合处严格控制公差，确保激光封焊所需的配合间隙符合要求。模块内腔底面加工粗糙度为3.2μm，平面度达0.05mm，保证了基片烧结、芯片黏结的可靠性。模块腔体内腔及接插件安装孔部位局部镀金，基片、射频输入/ 输出及控制接头均采用合金烧结在腔体上，其性能稳定、质量可靠。

在充满惰性气体的手套箱中完成模块腔体封盖焊接过程，这种方式可以有效控制密封腔体内部的水汽含量并将氧气隔离，使产品内部的功能单元在一个惰性气体环境中长时间稳定、可靠地工作。

变频模块整体尺寸为100 mm×170.5 mm×24 mm（长× 宽× 高），是标准3U 尺寸VPX 板卡。该模块采用标准化设计，以方便维修和更换。其还采用一体化支架，保证了安装孔、定位孔公差尺寸和定位基准。模块包括射频接口、加电控制接口等。预估组件总重量约为550g。

5 结论

对模块的指标和影响模块性能指标的因素进行了全面分析，过程中还进行了必要的仿真，选择了合适的器件、材料、工艺，最终形成了设计方案。此方案变频模块链路预算、器件选型合理，结构、工艺成熟可控，模块的功能、性能等参数能够满足系统正常运行要求。