一種下變頻電路的研究與設計

李 偉

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

多模式雷達是是海軍海上信息獲取的重要途徑,可對艦隊周邊進行警戒/搜索,擴展艦船自有探測范圍,兼顧偵察任務和海面氣象探測任務,是海軍重要無人機載對海監視雷達裝備,將牽引后續系列化無人機載廣域海上監視雷達裝備的發展。雷達系統采用有源相控陣[1],往往具備對海面艦船目標警戒搜索/跟蹤監視、合成孔徑成像、對空探測和氣象探測功能。

雷達系統有源射頻單元部分主要由有源天線陣面和低功率射頻單元兩大部分組成,實現系統寬帶SAR/ISAR、窄帶xMTI和氣象探測等功能。

低功率射頻單元,包括一體化寬帶收發[2-4]、一體化窄帶接收和微系統集成頻率源,再通過一體化結構集成設計形成一個獨立的可更換單元實現。可以實現窄帶工作模式、寬帶工作模式。

下變頻電路[5]作為窄帶接收的重要組成部分,其功能是將有源天線陣面送來的回波信號頻率變換、并進行濾波放大等,送入數字接收單元,再進入信號處理系統。為了滿足高集成度的需求, 基于SIP理念,本文設計了一種基于高溫共燒陶瓷(HTCC)封裝工藝[6-8]、微波多芯片模塊(MMCM)、高密度微波電路技術[9-10]的下變頻電路的實現方法。該組件適用于表貼應用,覆蓋S波段整個頻段,體積小、重量輕,使得整個射頻單元的集成度和可靠性大幅度提高。滿足雷達、通信等系統需求。

1 電路設計

接收時回波信號經有源天線陣面天線接收、T/R組件、子陣合成和子陣延遲放大后形成子陣的回波射頻信號,經多路低功率射頻窄帶模擬變頻接收后送入多通道數字接收機,通過數字化、數字解調和數據融合,產生基帶窄帶I/Q信號,并通過開窗數據緩存和光接口送給信號處理。

1.1 電路架構

下變頻模塊射頻鏈路主要由放大器、數控衰減器、混頻器和濾波器等多功能芯片集成,電路結構示意圖如圖1所示。射頻和中頻設置兩級放大器,以提高輸出功率。控制數控衰減器的衰減碼,從而調節電路的增益。混頻器將射頻信號頻率變換至中頻,兩級濾波器濾除帶外噪聲和干擾以及諧波和雜散信號。模塊還具有本振驅動和放大功能。此外,模塊集成了數控驅動電路,和控制信號抗干擾匹配電路。實現了小體積、高集成,多功能。

1.2 鏈路設計

由多級級聯器件噪聲公式[11]可知,決定通道噪聲系數的主要是第一級放大器的噪聲系數。所以第一級放大器按最小噪聲系數選擇,同時第一級放大器的高增益可以削弱后級對噪聲系數的影響。根據技術指標要求,選擇低噪聲放大器,其噪聲系數2.0dB、增益20dB,噪聲系數能更加得益。

第二級放大器在提供足夠增益的同時,兼顧1dB壓縮點功率,選擇具有高P-1放大器,可以使得接收前端有較大的線性范圍,并且保證帶內雜波或諧波有較高的抑制,因此,根據技術指標要求,放大器選擇P-1達20dBm 的芯片放大器,在實際使用時放大器工作在其P-1回退8dB～10dB 的線性區,其無雜散動態有較大提高。理論計算后,通道噪聲系數NF≤3dB,增益G=26.7dB,P-1也滿足指標要求。

為了提高變頻模塊線性動態范圍,通過在兩級放大器中間串接一級數控衰減器,增益控制量為20dB,可進行增益自動控制,使得系統動態范圍由瞬時動態45dB擴大到65dB,滿足線性最大輸入信號的指標要求。

混頻器選擇雙平衡混頻器電路,工作帶寬可達數個倍頻程,射頻信號和本振端口隔離好;如果考慮諧波分量,混頻器的輸出僅含有奇次諧波的和、差分量,偶次諧波分量均被抵消掉。其輸出頻譜比較理想。

1.3 鏈路主要指標計算

選定器件后,利用ADS 仿真軟件對該模塊的射頻鏈路預算做仿真分析,重點關注整個鏈路的增益、輸出1dB壓縮點、噪聲系數等指標。鏈路仿真模型和仿真結果如圖2、圖3所示。

圖2 鏈路預算仿真

圖3 鏈路預算仿真結果

圖3中仿真結果顯示了鏈路的噪聲系數、輸出1dB壓縮點、增益、OIP3指標計算結果。由此可知,模塊的通道噪聲系數NF≤3dB,增益約為26.1dB,此時的OIP3約為28.3dBm,可以滿足系統指標要求。

1.4 雜諧波抑制設計

頻率窗口選擇綜合考慮本模塊內部以及外部設備接口設計。內部主要是參與混頻的信號之間的交調要落在有用信號帶寬之外,以及信號和本振、中頻之間的頻率關系,便于濾波器的設計和實現選擇等。外部主要是頻率源的設計和AD器件的實現角度。

從互調分析看,混頻頻率窗口在中頻帶內無13次以內交調出現,所選擇的混頻器帶內外交調測試結果抑制度65dBc以上,加之鏈路里級聯的多級低通濾波器,通過合理分配鏈路增益及選擇工作點,該模塊帶內交調抑制度65dBc以上。

對于混頻產生的低次諧波信號,以及存在的最低次互調5RF-4LO,為帶外信號,為進一步提高抑制度,可通過在本變頻模塊后級外掛中頻濾波器,如LC濾波器來實現很好的抑制。仿真計算模型和結果如圖4、圖5所示。

圖4 鏈路諧波平衡仿真

圖5 諧波平衡仿真仿真結果

根據所選混頻器件,中頻輸出端對本振、射頻信號的最小抑制度分別為35dBc、20dBc,加上模塊中各級濾波器對本振和射頻的抑制作用,預計模塊對本振和射頻信號的抑制分別可以滿足60dBc、45dBc的指標要求。

關于射頻鏡像頻率信號,可以通過在混頻前加濾波器來進行抑制,根據最大帶寬需求,可以基于聲表或陶瓷介質濾波器等來實現,一般可滿足40dB以上鏡像抑制的需求。考慮到微組裝和小型化設計,該類表貼型濾波器可在本變頻模塊前級外掛實現。

2 電路封裝設計

變頻電路封裝形式采用溫共燒陶瓷(HTCC)基板和金屬殼體的一體化燒結工藝制作,該多層基板布線密度高,層間互連孔徑小。加上多功能芯片技術,采用先進的微組裝工藝裝配于高集成的封裝內,可以滿足電路小型化、高集成的需求。

高集成往往更需要充分考慮組件電磁兼容等問題,根據變頻組件的設計方案,本文基于HFSS仿真軟件[12]對組件封裝腔體效應、多層陶瓷基板射頻信號垂直互連等進行建模仿真,并通過電路合理布局等設計,實現了組件的高性能。

2.1 腔體效應仿真設計

在微波電路的設計中,微波的腔體效應對電路的穩定性起重要作用。需要綜合考慮微波組件的形狀、尺寸和電路布局等結構參數對S 參數的影響。由于微波組件內部結構復雜,再加上器件對腔體的微擾,很難完全從理論上精確完成微波腔體的設計。本文通過首先利用電磁理論腔體公式,初步計算腔體尺寸,再結合具體情況,綜合考慮金屬腔體內介質基板及電路布局的影響,利用仿真軟件建模仿真計算。

這里借助電磁場仿真工具HFSS來對實際應用狀態的諧振特性進行分析。組件中的MMIC、金絲等器件均用微帶線直接代替。微帶線的布局根據實際的芯片布局設定。模型如圖6所示。空腔的尺寸為14.6mm×11.6mm×3mm,HTCC基板厚度為1mm。利用HFSS軟件進行仿真,考慮到元器件的工作帶寬和組件的設計,工作帶寬為2.75GHz～2.85GHz,以2GHz 為振蕩頻率的計算起始點,計算比其更高的振蕩頻率。

圖6 腔體效應仿真

對腔體模型采用本征模式分析,仿真結果如圖7所示。通過對仿真結果分析可以發現,沒有電磁諧振頻率點位于帶內,不會產生自激問題,可以獲得很好的組件性能。

圖7 腔體諧振特性仿真結果

2.2 電路布局、圖層設計

考慮到信號傳輸完整性問題,綜合設計組件封裝尺寸和接口定義,電路布局時本振信號與中頻信號、射頻信號不存在交叉走線,這樣可以獲得較高的射頻信號隔離度。射頻信號采用“微帶線-帶狀線-微帶線”的垂直過度方式,具有很好的抗干擾和電磁兼容性能。基于HTCC基板高密度高集成布板特性,該電路功能可以通過四層介質、四層金屬層圖形多層板來實現。

2.3 微波傳輸結構仿真

由于采用HTCC與可伐合金殼體一體化燒結,射頻端口由殼體引腳輸入到HTCC基板的Bottom層,再垂直過渡到定頂層布線,再與射頻鏈路互聯。形成“微帶線-傳輸通孔-微帶線”的三維垂直互連傳輸模型。對射頻信號垂直過渡結構進行建模仿真,微帶線與帶線之間采用準同軸形式實現微波信號的三維垂直互聯傳輸,采用準同軸傳輸形式帶寬寬且損耗小。三維模型如圖8所示。

圖8 射頻垂直互連傳輸模型

在ANSYS仿真環境下,分別對微波信號傳輸孔、準同軸屏蔽環形接地孔、接地面上孔的排列、各段帶線及匹配枝節的尺寸等結構參數優化仿真,并且考慮實際加工裝配和工藝的可實現性,最終得到傳輸電路結構。其仿真結果如圖9所示。結果表明,該設計可以達到駐波小于1.15,插損小于0.05dB,傳輸性能良好,滿足系統指標使用需求。

圖9 垂直過渡仿真結果

3 電路測試

3.1 測試系統設計

該變頻組件測試通過專用測試夾具和測試軟件和測試系統完成,可以完成組件指標測試、存儲及數據后處理。測試系統包括四端口變頻矢網、頻譜分析儀和噪聲系數分析儀等儀表系統[13],以及專用測試適配系統,可實現組件不同指標測試時儀表切換,以及為變頻組件提供控制信號,控制組件內數控衰減狀態。該測試系統設計能夠快速完成變頻組件指標自動化測試。

3.2 測試結果

根據上述設計,生產的S波段下變頻模塊實物如圖10所示。對裝機批量組件的性能指標進行測試,100MHz工作帶寬內,結果如下:通道增益27±0.5dB;P-1輸出≥17.6dBm;單通道帶內增益起伏≤1dB;噪聲系數≤4dB;本振隔離度≥60dBc;射頻-中頻端口隔離≥42dBc;中頻輸出帶內雜散抑制≥70dBc;射頻輸入駐波≤1.8;中頻輸出駐波≤1.4;本振駐波≤1.5。組件典型測試波形如圖11-圖14所示。

圖10 下變頻模塊實物圖

圖11 增益、帶內起伏、駐波測試結果

圖12 P-1壓縮點測試

圖13 基態噪聲系數測試結果

圖14 本振-中頻端口隔離度測試

以上測試結果表明,該下變頻模塊具有增益帶內起伏小、低噪聲系數、射頻隔離度高、高雜散抑制、組件間增益一致性好等特點,各項技術指標均能夠很好地滿足項目應用需求。

4 結束語

本文設計了一種小型化下變頻電路,該模塊基于三維集成的設計理念和陶瓷一體化封裝技術,通過射頻鏈路仿真設計、結構工藝設計,組件腔體、射頻垂直互聯仿真,并合理布局內部電路等,實現了組件的高性能集成,測試結果表明各項指標均滿足系統要求,電路的可靠性和可制造性也得到充分驗證,可以廣泛應用于地面、機載等平臺的相控陣雷達。