小型化超宽带接收前端设计方法详解

0 引言

随着无线电通信技术和综合电子信息技术的不断发展，系统对微波接收机的要求向着超宽带、通用化和小型化方向不断加深［1-2］。作为微波接收机的核心组成部分，接收前端将天线或天线接口单元输出的射频信号转化为信号处理机所需的窄带中频信号，其尺寸和性能直接关系到整个接收机的能力。

目前国内的超宽带小型化接收前端产品受限于低频段滤波器尺寸，其射频输入频率最低下探至0.4 GHz［3］，中频输出频率大多选择在1 GHz以上［4］，或是仅针对变频前的滤波放大电路进行阐述［5］。

本文设计的小型化超宽带接收前端采用成熟的、高集成度的多芯片微组装技术（Multi-Chip Micro-package，MCM），选用多功能芯片滤波器和小型化LC滤波器，在满足产品性能要求的前提下大幅缩小产品尺寸。该产品实现了对0.1 GHz~18 GHz微波频段全覆盖，易于集成到各种单/多通道微波侦收系统中，具有广泛的应用前景。

1 接收前端的技术要求

接收前端的工作频段为0.1 GHz~18 GHz，典型增益为35 dB，全频段增益在±3 dB波动。接收前端要求先进行预选滤波再进行放大，全温范围内噪声系数要求≤22 dB。输出中频中心频率为140 MHz，具有80 MHz和2 MHz两种带宽可选，相应的50:3矩形系数要求分别为≤1.75和≤2.5。输出P-1≥10 dBm，输出限幅≤15 dBm，中频抑制和镜频抑制度均≥70 dBc。射频输入和中频输出端口驻波系数要求均为≤2.5：1。

2 接收前端的设计与实现

2.1 电路方案设计

接收前端电路原理框图如图1所示，可划分为射频部分与混频部分两大部分。

接收前端的射频部分采用先预选滤波再放大的电路布局。射频部分输入级为手动增益控制（Manual Gain Control，MGC）数控衰减器，用于大信号时的增益控制，然后通过单刀双掷开关分为0.1 GHz~6.2 GHz和6.2 GHz~18 GHz高低两段。0.1 GHz~6.2 GHz分为10段滤波器进行预选滤波，并分三段使用低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）进行放大；6.2 GHz~18 GHz分4段滤波器进行预选滤波并使用LNA进行放大。总共14段预选频段，除第一段和第二段之外，其余频段均采用亚倍频滤波以提高系统抗干扰能力，并在相邻频段间保留足够的频带交叠以保证信号完整性。具体预选频段划分如表1所示。

混频部分电路采用超外差接收架构，通过三次变频方案将0.1 GHz~18 GHz信号下变频至中心频率为140 MHz的IF信号。第一级混频时，将输入信号根据频段变频为高/低两种IF1：0.1 GHz~6.2 GHz频段上变频至8.2 GHz，6.2 GHz~18 GHz频段下变频至4.2 GHz。采用这种变频方案，第一级本振信号（Local Oscillator，LO）仅需覆盖8.3 GHz~19.7 GHz，可以降低频综的实现难度。两种IF1通过开关选择，在第二次混频时均与LO2下变频至频率为1.2 GHz的IF2，最后通过第三次混频与LO3下变频至IF3频率140 MHz，并使用两种不同带宽的滤波器进行带宽选择后输出，送至信号处理系统。

2.2 关键指标分析

对于超宽带接收系统，全频带的增益平坦度、中/镜频频率抑制度和组合干扰的抑制度等技术指标实现难度较大，并直接影响系统的使用性能。噪声系数本身也是接收系统的关键指标，但在本接收前端的应用场景中，前级端接了具有一定增益的低噪声天线接口单元，要求接收前端先进行预选滤波，因此对噪声系数要求较低。

2.2.1 接收前端增益平坦度分析

接收前端频率覆盖0.1 GHz~18 GHz，为保证全频段增益满足≤±3 dB的平坦度要求，在以下3个方面进行了针对性设计：

（1）混频前电路根据频率共划分为4段，每段使用独立的LNA，如图1所示，将全频段增益平坦度指标分解至4个相对较易实现的子段增益平坦度指标。

（2）选用宽带性能良好的元器件，并选用均衡器或自带均衡的放大器对平坦度进行补偿。同时在链路上预留温补衰减器，对高低温下的增益波动进行补偿。

（3）在三次变频后的IF3放大链路上预留一级MGC，通过数控增益补偿的方式，对不同射频频率下的增益波动进行补偿。

通过上述设计，可以保证全频段及全温范围内增益波动在±3 dB以内。

2.2.2 接收前端中/镜频频率抑制度分析

接收系统的中/镜频频率抑制度一般要求至少比系统的动态范围大10 dB。中/镜频频率抑制度设计有两个要点：（1）正确计算接收系统各级的中/镜频频率；（2）根据频率合理规划各级滤波器的带外抑制度。

本文设计的接收前端首先根据变频方案计算第一级、第二级和第三级中频频率和镜频频率，包括可能间接产生第二级或第三级中/镜频信号的频率，然后将对计算得到的各种频率的抑制度指标分配至各级带通滤波器和低通滤波器中，并在设计时预留足够的余量，确保最终的中/镜频频率抑制度满足≥70 dBc的指标要求。

2.2.3 接收前端组合干扰的ADS仿真

上节提到的中/镜频频率属于最显而易见的干扰来源，但在宽带接收系统的使用中，还可能会出现各种其他的、在设计时不易发现的干扰来源，如各级LO信号间的频率组合，或是特定频率RF信号和LO信号的高阶组合等，统称为组合干扰［6］。在接收前端设计时，为消除组合干扰的影响，实现对组合干扰的抑制，首先需要确定存在哪些组合干扰。本文在完成电路方案设计和元器件选型后，使用AdvancdDesign System（ADS）仿真软件全链路S参数仿真，对组合干扰进行了分析和排除［7-8］。链路仿真模型如图2所示。

该模型将接收前端中关键元器件（滤波器、放大器等）的S21实测数据代入仿真，模拟接收系统的工作模式，使用固定LO改变RF和固定RF改变LO两种方式来寻找干扰点。通过这种方式，在电路实施前定位了数种在方案设计时难以发现的组合干扰，并通过优化电路方案和元器件参数将其排除。

该仿真方法确认的组合干扰抑制度与实物相差在10 dB以内，可精确指导接收前端的设计与实现。同时该模型还用于接收前端增益平坦度的仿真设计。

2.3 接收前端小型化设计

在结构上，采用正反两面布局，正面为射频链路，背面为电源与控制电路，通过合理规划两面的腔体深度，将模块总厚度控制在9.5 mm，便于系统集成；射频接插件选用SMP型超小型推入式射频同轴连接器，低频接插件选用J63A型微矩形电连接器，均具有体积小、重量轻、抗振性能优越等特点。

射频链路部分，选用全芯片方案，通过MCM工艺实现芯片器件与微带线之间的连接。射频腔体采用两层盖板设计，内层盖板使用沉头螺钉钳装固定，提高传输线之间的隔离度，并确保腔体不会产生可能影响性能的谐振；外层盖板使用激光缝焊，保证射频部分的气密性。

滤波器的小型化是超宽带接收前端的重点与难点。本文设计的接收前端，0.8 GHz~18 GHz频段选用了3片MMIC开关滤波芯片作为预选滤波器，每片开关滤波芯片内部集成了两个开关和数个滤波器，3片共集成了10段滤波器；对于开关滤波芯片暂时无法覆盖的0.1 GHz~0.8 GHz频段预选滤波，选用了3个小型化LC滤波器来实现，该LC滤波器使用定制的芯片电容和绕线电感，在9 mm×5 mm×2 mm体积内实现了常规LC滤波器的性能。IF2和80 MHz带宽的IF3带通滤波器也使用了这种形式的LC滤波器。其他滤波器选用了MEMS带通滤波器、MMIC高/低通滤波器和窄带声表面波滤波器等。

3 接收前端实物与指标测试结果

小型化超宽带接收前端实物如图3和图4所示。接收前端的RF输入、IF输出端口和低频J63A端口位于图3的左侧窄边，3路LO输入端口位于右侧窄边，上述接口布局与左右两侧，易于系统集成。上下两侧的接口为调试端口，可与第一级混频器前的电路相连，便于调试宽带电路平坦度，调试完成后与内部电路断开。

由于接收前端工作频带较宽，覆盖多个倍频程，因此测试时，首先使用矢量网络分析仪从调试端口对混频前的直通链路进行测试，调试并确定各个频段的增益平坦度补偿量，部分频段测试结果如图5所示。

将通路从调试端口切换至变频部分，使用多台信号源和频谱分析仪对增益补偿后的全链路的各项技术指标进行测试，测试结果如表2所示。

接收前端增益通过数控衰减器进行补偿，大幅降低了超宽带模块全频段增益平坦度指标的调试难度；通过合理设计，实现了端口驻波的免调试；其余各项指标，根据首件的调试结果，确定了后续产品的各调试点的元器件参数。经过成功批量生产，验证了该接收前端具备免调试能力，仅需测试人员或自动测试系统对指标进行测试即可，具备良好的可生产性。

4 结论

本文设计了一种小型化超宽带接收前端，内部集成了多种MMIC器件和小型化滤波器，工作频率覆盖整个0.1 GHz~18 GHz，尺寸仅为119 mm×61 mm×9.5 mm，可供各类通信/微波侦收项目使用。该模块采用了数控增益补偿的方式，解决了超宽带模块增益平坦度调试难度大的问题，实现了批量生产的免调试，大幅提高了生产效率并降低了生产成本。该超宽带通用化小型化接收前端已成功应用于多个超宽带微波通信信号侦收系统中，充分验证了设计的可靠性，未来还将在各类超宽带侦收系统中广泛使用。

参考文献

［1］ 石超，乔召杰，徐亮，等.S波段小型化发射通道设计［J］。电子技术应用，2018，44（7）：38-41.

［2］ 刘博源，徐军。基于MEMS滤波器芯片的X波段混频通道设计［J］。电子技术应用，2017，43（6）：52-55，59.

［3］ 余高干.0.4~18 GHz超宽带雷达接收前段小型化的研究［D］。成都：电子科技大学，2015.

［4］ 荀民。超宽带接收前端的设计与实现［J］。火控雷达技术，2017（3）：58-61.

［5］ 张越成。新型小型化超宽带微波接收前端设计［J］。电子科技，2017（5）：107-110.

［6］ 漆家国。基于宽带射频接收机功能电路的虚假响应分析［J］。无线电工程，2016，46（7）：84-88.

［7］ 魏宪举.ADS在TR组件方案论证中的作用［J］。现代电子技术，2008（13）：55-60.

［8］ 闫鸿。综合化射频信道的半实物仿真设计［J］。电讯技术，2010（7）：145-148.