超寬帶變頻組件虛假抑制特性研究

王洪李,荊曉超

(中國船舶集團有限公司第八研究院,江蘇 南京 211153)

0 引言

超寬帶變頻組件主要應用于電子對抗領域和雷達的被動接收系統中[1],主要作用是將系統探測到的信號下變頻到中頻信號,再由后面的數字部分進行處理。為了有效探測信息,需要變頻組件跨多倍頻程工作,同時具有大瞬時中頻帶寬和高虛假電平抑制水平。

虛假電平抑制水平是變頻組件的核心技術指標,過去主要對二次變頻方案中的第一次變頻產生的交調是否落在一中頻帶內和二次變頻產生的交調是否落在二中頻帶內進行粗略計算[2-4],難以通用化,在成本和虛假抑制水平需要兼顧時,沒有相應的設計原則。

本文介紹了一種二次變頻方案,從目標信號和非目標信號與本振的交調2個角度對變頻組件的虛假抑制特性做了詳細的分析,給出了二次變頻方案的設計原則,降低了變頻組件的設計難度,提高了設計效率。實測結果驗證了研究的準確性和有效性。

1 二次變頻方案的虛假抑制

1.1 二次變頻方案

一種工作頻率覆蓋0.38～18 GHz的超寬帶變頻組件二次變頻方案原理如圖1所示。

圖1 二次變頻方案原理

探測信號經第一混頻器上變頻到一中頻,一中頻濾波器中心頻率為F1,經一中頻濾波器濾波后,再經第二混頻器下變頻到二中頻,二中頻最大瞬時帶寬為BW1和BW2(BW1

超寬帶變頻組件的核心技術指標是虛假電平抑制。虛假信號是指在一本振掃描的過程中,在中頻帶內出現了一個或若干個信號,但這個信號不是與此刻一本振對應的目標信號產生的。那么,中頻帶內的這個或若干個信號就稱為虛假信號。

為了提高變頻組件的虛假抑制,首先要分析虛假信號產生的原因,然后針對性地解決問題。文章從目標信號產生的虛假和非目標信號產生的虛假2個方面對變頻組件的虛假信號產生原因進行分析。

1.2 目標信號產生的虛假

目標信號產生的虛假是指進入變頻組件的信號與相應的一本振信號(包括一本振基波)和二本振信號(包括二本振基波)的交調落在中頻帶內產生的虛假。目標信號產生的虛假存在如表1所示的幾種情況。其中,RF為0.38～18 GHz,L01為RF+F1,L02為L01-IF2,二中頻為IF2。

表1 目標信號與本振信號產生的虛假

RF信號與一本振的基波和二本振信號產生的交調落在二中頻帶內。為此,需要提高對本振基波信號的抑制,無源倍頻器對基波的抑制大于30 dBc,三次諧波的抑制大于40 dBc,有源倍頻器對基波和三次諧波的抑制在10～20 dBc左右,雖然有源倍頻器可以簡化本振鏈路,但無源倍頻器對基波和三次諧波的抑制更高,可以減小對倍頻器后濾波器的帶外抑制要求,在對基波、三次諧波抑制要求比較高的情況下,可以采用開關濾波器組芯片對倍頻后的本振信號進行分段濾波。

RF信號的二倍頻、三倍頻信號落在二中頻帶內。一般情況下,RF經第一混頻器的隔離,一中頻濾波器的抑制,泄露到第二混頻器的信號功率比較小,但在一本振以較大的信號功率與RF信號同時泄露到第二混頻器時,第二混頻器會產生RF的二倍頻和三倍頻信號,因而造成虛假。當RF為0.38～2 GHz時,L01為F1+RF,如果采用BW2帶寬的一中頻濾波器,那么部分一本振信號將以較大功率泄露到第二混頻器處。因此,當RF為0.38～2 GHz時,一中頻應采用BW1帶寬的濾波器,這樣可以對一本振信號產生足夠的抑制。

當RF信號功率為0 dBm時,在變頻組件的IF端口測得的虛假信號功率如表2所示。

表2 目標信號與本振信號產生的虛假

RF信號與一本振的交調落在一中頻帶內BW2產生虛假,由于一中頻濾波器前后可能存在一中頻放大器,其工作頻率覆蓋BW2。因而,RF信號與一本振信號的交調如果落在一中頻放大器的工作帶內,一中頻濾波器對該交調信號的抑制作用將會減弱。RF信號為F1/2時,第一混頻器產生的二次諧波落在一中頻帶內產生虛假,解決方法是增加一個中心頻率為F2、帶寬BW2的一中頻濾波支路進行切換。

1.3 非目標信號產生的虛假

非目標信號產生的虛假是指進入變頻組件的信號與非相應的一本振信號(包括一本振基波)和二本振信號(包括二本振基波)的交調落在中頻帶內產生的虛假。非目標信號產生的虛假存在如表3所示的幾種情況。

表3 非目標信號與本振信號產生的虛假

RF為0.33 GHz時,與一本振22.56 GHz的三階交調落在一中頻帶內產生虛假,為此,需要選擇三階交調抑制盡量高一點的第一混頻器,同時要求預選濾波器對0.33 GHz的帶外抑制要盡可能的高一些。以0.38～0.66 GHz的分段濾波器為例,一般要求,DC～0.33和0.76～18 GHz的帶外抑制大于40 dBc,由于第一混頻器存在一定的三階交調抑制,一般大于40 dBc。因此,對濾波器的帶外抑制要求大于20 dBc也可以滿足變頻組件虛假抑制大于45 dBc的指標要求。當然,由于濾波器存在寄生通道,所以需要級聯低通濾波器以共同實現對0.76～18 GHz的帶外抑制要求。

RF為1.13 GHz和8 GHz時,RF與一本振基波的交調信號落在一中頻帶內產生虛假,需要提高變頻組件對一本振基波信號的抑制水平。

L01信號為36.3～37.3 GHz時,其與L02的三階交調信號落在中頻帶內產生虛假,需要提高一中頻濾波器對一本振信號的抑制和第二混頻器的三階交調抑制,也可以將L02信號切換為IF2+F1的高本振。

對于非目標信號產生的虛假分析,可以使用ADS軟件輔助計算,如圖2所示,理論上要計算L01為任一頻點時,與非目標的RF信號的交調信號是否落在中頻帶內,實際上,可以在預選濾波器和對本振基波的足夠抑制條件下,對交調抑制計算做大幅簡化。

圖2 ADS交調信號仿真電路

非目標信號產生的虛假還存在一種情況,由于預選濾波器的插入損耗比較大,為了補償增益,往往在最后輸出一級放置放大器。放大器產生的二次諧波也會造成虛假。變頻組件前級的開關濾波器組的二次諧波抑制實測結果如表4所示。RF信號功率為0 dBm,在RF為F1/2時,二次諧波抑制為26.5 dBc。

表4 開關濾波器組的二次諧波抑制

2 測試結果

測試時,RF頻率范圍為0.38～18 GHz,輸入功率為-10 dBm,與開關濾波器組級聯測試。

超寬帶變頻組件的部分虛假抑制測試結果如表5所示。

表5 超寬帶變頻組件虛假抑制測試

開關濾波器組模塊在使用開關濾波器組芯片時,由于無法分段級聯低通濾波器,在切換到2～3.5 GHz時,開關濾波器組芯片在16 GHz處的抑制只有20 dBc左右,對應表5中的RF為15 GHz時,產生的虛假信號為2.15 GHz,抑制為47.6 dBc。

在變頻組件的IF端口測得的一本振泄露功率如表6所示,到達第一混頻器本振端口處的L01信號功率為13 dBm,表6中的第2列是在一中頻濾波器工作帶寬為BW2下測得的,第3列是在一中頻濾波器工作帶寬為BW1下測得的。

表6 變頻組件中頻IF輸出口本振泄露測試

根據對超寬帶變頻組件的測試和分析,可以得到如下設計原則。

(1)在不考慮半中頻(F1/2)造成的虛假時,在開關濾波器組中,0.38～2 GHz分段濾波器使用LC濾波器,2～18 GHz分段濾波器使用開關濾波器組芯片可以滿足變頻組件虛假抑制大于45 dBc的指標要求。

(2)本振放大鏈路上,采用無源倍頻器和帶通濾波器的組合形式,變頻組件的虛假抑制可以滿足大于45 dBc的指標要求。

(3)一中頻鏈路上,一中頻濾波器采用腔體濾波器形式,且同時具有BW1/BW2兩種帶寬時,變頻組件的虛假抑制可以滿足大于45 dBc的指標要求。

(4)在考慮半中頻(F1/2)造成的虛假時,需要增加一種中心頻率如F2的一中頻濾波器。

(5)在變頻組件的虛假抑制要求大于50 dBc時,需要對本振信號分段濾波,同時使進入第一混頻器的信號功率控制在-10 dBm以下。

3 結語

本文以二次變頻超寬帶變頻方案為基礎,對產生虛假的可能性做了全面的分析,最后通過實測進行了驗證,在此基礎上,對變頻組件虛假抑制指標與如何改進二次變頻方案作了原則性說明,可以提高超寬帶變頻組件的設計效率,降低快速評估虛假抑制特性的難度。