S波段寬帶16通道射頻接收模塊設計

丁 萍 方南軍 胡善祥

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230031)

0 引言

目前， S波段雷達系統通常采用超外差接收機。其基本組成為接收機前端，中頻接收機以及頻率源三個部分。本文研究的范圍主要包括接收機前端以及中頻接收機射頻部分。

在數字雷達接收機中，由天線接收到的射頻回波信號經預選濾波器濾波，后經過限幅低噪聲放大器放大，開關濾波以及下變頻轉換為中頻信號，后由A/D變換器對中頻信號進行采樣，經數字正交鑒相輸出I(n)和Q(n)送至DSP進行信號處理[1]。其中數字雷達接收機射頻前端部分直接決定A/D采樣的質量，其尺寸重量對于整個雷達系統的重量有比較大的影響。

本文中設計的16通道下變頻放大接收模塊，是將S波段的射頻回波信號混頻至430MHz的中頻信號。具有集成度高，噪聲系數低以及隔離度良好等特點。

1 技術指標要求

由于該模塊作為16通道數字化接收機的模擬前端，將S波段的16路接收通道集中設計在一個基板上，相比設計相互獨立的模擬接收通道，可減小接收機的尺寸及重量，提高集成度。S波段的16通道射頻接收模塊工作主要指標如下：

1)射頻頻率：S頻段(2.7GHz～3.5GHz)；

2)中頻頻率：430MHz；

3)接收增益：≥54dB；

4)接收噪聲系數：≤3.0dB；

5)接收通道隔離度：≥30dB；

6)輸出三階交調截點：≥30dBm；

7)通道耐功率：≥100W(脈寬500μs，占空比15%)。

1.1 接收增益及噪聲系數設計

接收機接收微弱信號的能力通過接收靈敏度來表示，微弱信號總伴有噪聲出現，要檢測到微弱信號，信號的功率應該大于接收靈敏度，即靈敏度(Simin)表示接收機最小可檢測到的信號功率。

系統靈敏度(Simin)計算公式為

Simin=-114+10lgBn+Nf

(1)

系統靈敏度(Simin)單位為dBm，Bn為中頻帶寬，單位為MHz，Nf為接收機的噪聲系數。

為提高系統靈敏度，即減小靈敏度(Simin)大小，就需要盡可能降低接收機總的噪聲系數。噪聲系數表示接收機通道內部輸入輸出信噪比遞降的一種量度，若傳輸網絡中有噪聲，會使得輸出噪聲輸出功率放大幅度大于輸出信號的放大幅度，從而降低輸出信噪比，增加電路的噪聲系數。接收通道鏈路由濾波器、低噪聲放大器以及混頻器等器件級聯而成，所以系統的總噪聲系數為接收通道級聯電路噪聲系數。

Nf計算公式為

(2)

系統要求通道總噪聲系數不超過3dB。對于中頻帶寬為5MHz的窄帶模式，帶入公式(1)可計算接收機靈敏度為

Simin=-114+10lg5+Nf=-107dBm

(3)

雷達系統中，在中頻帶寬5MHz的工作模式時，要求接收線性動態范圍≥60dB，考慮ADC最大輸入電平為10dBm，由此可分配通道各級電路增益大小，接收通道鏈路增益分配如圖1所示。

圖1 接收通道鏈路增益分配圖

增益分配框圖中接收通道總增益為54dB，滿足系統接收動態范圍對接收通道增益的要求。將各級電路增益及噪聲系數代入公式(2)可計算得到接收通道總的噪聲系數1.96dB，考慮微帶焊接及各級電路級聯損耗等，接收通道的總噪聲系數在2.2dB左右，優于系統指標要求。

1.2 接收通道三階交調截點分析

對于射頻電路，常用三階交調截點來衡量其線性程度。其定義為在非線性系統中，輸入頻率相近的雙音信號，輸出信號包含輸入雙音信號的任意自然數組合諧頻，其中一階線性輸出信號與三階非線性輸出信號在理想情況下的交點，此時的輸入信號功率被稱為輸入三階交調截點(IIP3)以及輸出信號功率被稱為輸出三階交調截點(OIP3)[2]。

對于由多級器件級聯組成的接收通道，每一級電路都存在一定程度的非線性失真。所以提高每一級電路的三階交調截點可提高接收通路的線性度。系統輸入三階交調截點的公式為

(4)

式(4)中Gn為第n級電路增益，(IIP3)n為第n級電路輸入三階交調截點。由公式(4)可得，最后一級電路的線性度對整個級聯電路的線性程度影響較大，同時可以通過調節各級電路的增益來優化接收通道的三階交調截點。

利用軟件計算接收通路的增益、噪聲系數以及三階交調截點如圖2所示。由計算結果可以看出，按照本文方案設計的接收通路，其輸出三階交調截點滿足設計要求。

圖2 增益、噪聲系數及三階交調

1.3 S波段16通道接收模塊設計分析

本文在接收通道方案設計中選擇一級混頻，相對于二級混頻設計，一級混頻方案最大的優勢是降低了電路的復雜程度，以此減小電路尺寸，因此一級混頻方案可用于微型接收機設計。且一級混頻后中頻頻率較高，提高AD采樣率。

本文設計的工作在S波段的16通道射頻接收模塊，其中包括陶瓷預選濾波器、平衡限幅低噪聲放大器、小型化四選一開關濾波器、驅動芯片、電源穩壓器、集成0°四功分器以及混頻放大SIP等器件。其中混頻放大SIP采用多層高溫共燒陶瓷埋線工藝，金屬化陶瓷外殼與植球陣列(BGA)封裝，內部集成了4路S波段變頻放大通道。

該射頻接收模塊組成功能原理框圖見圖3所示。原理框圖中，每一路射頻信號通過預選濾波器濾波后經低噪聲放大器放大信號，再由開關濾波器濾除信道雜散信號等，然后經混頻SIP進行下變頻放大輸出中頻信號。

圖3 S波段16通道射頻接收功能原理框圖

本文中設計的接收模塊，回波信號首先通過預選濾波器進行濾波，該濾波器中心頻率為3100MHz，帶寬為800MHz，帶內插損小于0.5dB。在阻帶頻段范圍內100MHz～2100MHz、4200MHz～5200MHz抑制大于30dBc。

根據噪聲系數計算公式，級聯電路中前兩級電路對于總噪聲系數影響最大。由于陣面存在電磁反射以及其他反射，必須要求低噪聲放大器必須具有一定的抗燒毀能力。由于該模塊組成數字化接收機，對其耐功率要求主要是來自收發天線的電磁耦合，按照雷達陣面的排布計算，耦合功率比收發通道低20dB，在該接收模塊涉及的雷達系統中，發射通道峰值功率高于400W，考慮其同步、異步反射[3]，要求收發通道的耐功率大于1000W，所以對于純接收模塊，耐功率高于100W可完全滿足工程需求。

該接收模塊通路中的低噪聲放大器采用小型化平衡限幅低噪聲放大器，具有較高的抗燒毀能力，實現方式為半有源方式，這款低噪放增益穩定、起伏小，噪聲系數低，而且其封裝尺寸較小，僅為7mm×7mm×4mm。低噪聲放大器主要指標如下：

1)頻率范圍f1L-H：(2.7～3.5)GHz；

2)增益Gp：(30±1)dB；

3)增益平坦度△Gp：≤1.0dB；

4)駐波比VSWR：≤1.6；

5)噪聲系數Fn：≤1.4dB；

6)增益壓縮1dB輸出功率P-1：≥10dBm；

7)耐功率：峰值100W(脈寬500μs，占空比15%)。

射頻小信號經低噪聲放大器放大后通過開關濾波器濾波，在此設計中開關濾波器為四路開關選頻濾波器，通過控制碼實現不同頻率的分時輸出。工作帶寬800MHz被平均分成四段，設定每200MHz為一個通帶帶寬，通帶中心插損小于5dB，帶外抑制大于40dBc。由于中頻信號為430MHz，帶寬為100MHz，按照200MHz劃分頻譜可同時兼顧收發通道以及接收通道的統一，有效抑制發射支路本振信號以及混頻鏡像信號等雜散信號。而對于本文中設計的純接收模塊，按此頻譜劃分主要抑制空間鏡像信號干擾以及被低噪放放大的其他雜散信號。

濾波后的射頻信號經混頻放大SIP下變頻后輸出中頻信號，其中混頻放大SIP組成功能原理框圖見圖4所示。

圖4 混頻放大SIP原理框圖

該混頻放大SIP內部通過金屬屏蔽隔腔[4]集成4路S波段混頻放大通道，并且在上下變頻支路中均有級聯可編程增益放大器，因此可通過控制電平控制混頻放大SIP增益的高低。除主要的上下變頻放大通路外，混頻放大SIP內部還集成本振放大功分電路以及低壓差線性穩壓器，組成完整的信號通路。

為了實現模塊小型化設計，該混頻放大SIP采用基于多層高溫共燒陶瓷埋線工藝[5]設計的金屬化陶瓷外殼封裝以及植球陣列(BGA)引腳形式。混頻放大SIP尺寸為25mm×20mm×4.5mm。實物如圖5所示。

圖5 混頻放大SIP實物圖

這款混頻放大SIP尺寸小，集成度高，同時可大大降低整個接收模塊本振功分網絡的復雜度，本文中的接收模塊中只用到其下變頻放大功能。整個電路共包含4塊混頻放大SIP，所以本振信號僅通過一片一分四的集成0°四功分器，就可以為整個16通道接收模塊提供本振信號。

本文中設計的S波段16通道接收模塊，控制信號可通過74系列邏輯驅動芯片，獨立控制各個通道的開關以及增益高低。該接收模塊中電源穩壓器型號為ZHDC5S5R5/27.5W，是一款高集成度陶瓷封裝同步整流降壓轉換電源模塊，可在外部使能控制。在雷達整機工作過程中，可通過數字板加載控制信號實時切換電源的開斷，節約功耗，提高效率。

2 研制結果

該模塊復合射頻基板選用的是國產板材睿龍科技RS300T，介電常數2.94，一致性良好，材料性能穩定。混頻放大SIP分布在基板背面，裝配后緊貼組件殼體保證芯片工作過程中良好散熱。S波段16通道接收模塊研制實物如圖6所示。

圖6 S波段16通道接收模塊實物

測試過程中采用頻譜分析儀，噪聲系數分析儀，信號源等儀表對該模塊在常溫下的各項指標進行測試分析，主要測得各通道在工作頻段接收增益范圍為54dB～58dB，各通道在各頻點的噪聲系數在2.2dB～2.8dB之間，通道隔離度≥30dB，滿足設計指標要求。

測試得到S波段的16通道下變頻放大模塊主要性能指標如下：

1)通道噪聲系數：2.2dB～2.8dB；

2)通道接收增益：54dB～58dB；

3)通道隔離度：≥30dB；

4)通道接收信噪比：≥60dB；

5)通道間幅度變化一致性：≤0.3dB(RMS);

6)通道間相位變化一致性：≤2°(RMS)。

主要性能指標測試結果如圖7至圖8所示。

圖7 通道噪聲系數

圖8 通道增益

將S波段16通道接收電路組裝進數字化接收機中，通過數字板對中頻信號采樣分析計算，得到各通道5MHz窄帶模式接收信噪比均大于62dB，如圖9所示。

圖9 通道接收信噪比

3 結束語

本文中設計的S波段16通道接收模塊，具有集成度高，通道增益高，噪聲系數低，各通道之間隔離度良好，性能穩定，16路接收通道各指標一致性高等特點，其研制結果滿足雷達系統使用需求。