大動態范圍Ku波段下變頻設計

中國電子科技集團公司第二十研究所 李寶新

本文主要是對一種大動態范圍的Ku波段下變頻模塊的設計，硬件電路上下分腔解決多通道變頻設計時本振信號走線交叉問題，一中頻上下穿腔的方式抑制高低頻信號的串擾，提高鏈路的諧雜波抑制度。通過測試結果可以看出，下變頻模塊的增益≥46dB，實現了兩種中頻帶寬15MHz和30MHz，通道的諧雜波抑制≥60dBc，通道的動態范圍80dB，能夠滿足模塊技術指標要求。

隨著電子信息技術的迅猛發展，雷達的探測距離越來越遠，接收信道作為獲取電子信息的前端設備，對高靈敏度和大動態范圍的需求越來越強烈。高靈敏度大動態范圍的接收信道對電子信息接收系統起著越來越重要的作用。接收信道的靈敏度和動態范圍指標存在一定的矛盾，同時要保證接收信道的線性度，防止信號經接收信道后失真，從而影響后端數字解調。為了提高數字解調的靈敏度，就需要接收信道提供較好的諧雜波抑制度。

本文介紹了采用超外差式接收機設計實現了Ku波段下變頻模塊，詳細論述了下變頻模塊的理論分析，并通過硬件電路的上下分腔設計解決多通道變頻設計時本振信號走線交叉的問題，一中頻信號上下穿腔設計的方式抑制高低頻信號的串擾，提高鏈路的諧雜波抑制度。實現了大動態范圍，集成度高，通道的隔離度大和諧雜波抑制好的要求，測試結果表明模塊的性能完全滿足指標要求。

1 下變頻模塊技術要求

Ku波段下變頻模塊的主要技術指標：

（1）通道數：3路；

（2）射頻輸入功率：15.8GHz～16.2GHz；

（3）增益：45dB±1dB；

（4）輸出頻率：140MHz，帶寬15MHz和30MHz；

（5）輸出諧雜波抑制：≥60dBc。

2 鏈路設計

2.1 鏈路設計框架

對于級聯線性網絡，其級聯的噪聲系數為：

式中，NFn表示第n級放大器的噪聲系數，Gn為第n級放大器的增益。式(1)可以看出，下變頻鏈路設計中前級的放大器要求噪聲系數盡可能的小，增益盡可能的大，從而更好的保證鏈路的噪聲系數指標。

接收機的靈敏度計算公式為：

式中NF為鏈路的噪聲系數，SNR為滿足一定誤碼率所需的最低信噪比，B為信號帶寬。式(2)可以看出，當鏈路的工作帶寬一定時，最低信噪比通常是AD決定的，因此要提高鏈路的靈敏度要求鏈路的噪聲系數要盡可能的小。

無寄生動態范圍的公式為：

因此為了使鏈路的雜散信號小，需要IIP3盡可能的大。

下變頻模塊主要包含放大器、濾波器和混頻器組成。射頻信號經過STC有效提高動態范圍之后進行放大，放大的信號進入混頻器通過濾波放大再進行二次混頻濾波和放大。一次混頻前的增益過大一方面會造成混頻的諧雜波較大，另一方面會降低通道的線性動態范圍，因此本設計中大部分的增益均分配到二次混頻之后。混頻后的信號含有大量的諧雜波信號，因此在進行二次混頻前需要先進行濾波，但是帶通濾波器對于遠端信號的抑制度不高，因此再加一級低通濾波器對遠端信號進行抑制。為了提高輸出雜散的抑制度，要求前級的放大器工作在良好的線性區。

2.2 鏈路設計與測試

通過硬件上下分腔設計后，上下腔體均只有一種本振信號需要與射頻信號進行混頻，本振信號的功分、放大、濾波處理可以在盒體的一側完成。上腔體混頻產生的一中頻信號利用同軸線纜穿孔到下腔體中，可以有效防止射頻信號通過空間輻射串擾到中頻信號，鏈路上的串擾和一次混頻的諧雜波信號可以通過一中頻的帶通濾波器有效濾除，從而提高鏈路諧雜波的抑制度。設計方案示意圖如圖1所示。

圖1 盒體設計示意圖

電路實物圖如圖2所示，測試結果如圖3所示。

圖2 電路實物圖

圖3 測試結果

通過測試得到，通道的增益為46dB，諧雜波抑制度為63dBc，通道的中頻帶寬為15MHz和30MHz兩種模式，滿足指標要求。

結論：本文通過理論分析，ADS仿真和實物測試完成了Ku波段下變頻模塊的設計，測試結果驗證了設計的可行性，滿足技術指標要求。硬件電路上下分腔設計解決多通道變頻設計時本振信號走線交叉問題，一中頻利用同軸電纜上下穿腔的方式抑制高低頻信號的串擾，提高鏈路的諧雜波抑制度。Ku波段下變頻模塊實現了輸入信號的大動態范圍，高集成度，低成本，諧雜波抑制好的特點，對于該類下變頻模塊組件的設計具備較好的參考價值。