X波段變頻模塊設(shè)計(jì)方案

關(guān)鍵詞：變頻模塊；噪聲系數(shù)；鏡頻抑制

中圖分類號(hào)：TN913.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

變頻模塊可在雷達(dá)系統(tǒng)中作為接收機(jī)的前端，一般由帶通濾波器、低噪聲放大器和下變頻器組成。該模塊可將雷達(dá)天線接收的頻率向下變換為中頻，在中頻，物理上才可能實(shí)現(xiàn)具有較理想通帶特性的濾波器。

1 變頻模塊原理

變頻模塊完成8 路射頻（radio frequency，RF）信號(hào)下變頻至中頻，并將外部提供的一路本振信號(hào)進(jìn)行八功分作為8 路變頻本振[1]。

射頻信號(hào)經(jīng)數(shù)控衰減后進(jìn)入低噪放，經(jīng)射頻帶通濾波器后進(jìn)入同相正交（I/Q）混頻器，與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生中頻信號(hào)。中頻信號(hào)依次經(jīng)過(guò)放大1、帶通濾波、數(shù)控衰減、放大2、低通濾波后，得到帶寬為20 MHz 的中頻信號(hào)。

射頻數(shù)控衰減器的參數(shù)為：10 dB 步進(jìn)、總衰減范圍為0 ～ 30 dB （2 bit）；中頻數(shù)控衰減的參數(shù)為：2 dB 步進(jìn)、總衰減范圍為0 ～ 30 dB（4 bit）；總共6 bit，衰減范圍為0 ～ 60 dB。

2 變頻模塊關(guān)鍵指標(biāo)分析

2.1 基礎(chǔ)指標(biāo)

通過(guò)軟件可以計(jì)算出鏈路的總增益、噪聲系數(shù)及中頻輸出1 dB 壓縮點(diǎn)。

2.2 帶內(nèi)平坦度

影響帶內(nèi)平坦度的因素主要為：①器件的帶內(nèi)平坦度。射頻低噪放選用的是正斜率的放大器，中頻放大器選用的是負(fù)斜率的器件，可相互抵消一部分。數(shù)控衰減器選0e733e73c3ac4e8a35e78ba2224ec0fa45f528d2fddd68d9eefbc61ecc31ed81用的均是寬帶平坦度好的器件。②器件之間的匹配。在鏈路中器件之間的失配會(huì)造成增益帶內(nèi)不平坦，尤其是駐波較差的器件，所以在器件之間預(yù)留了調(diào)試位置，通過(guò)外加匹配電路使信號(hào)在整個(gè)中頻帶內(nèi)平坦度合格。

2.3 鏡頻抑制

鏡像抑制[2] 由I/Q 混頻器和電橋決定。本設(shè)計(jì)方案中選擇的I/Q 混頻器的鏡像抑制優(yōu)于35 dB，滿足系統(tǒng)要求。

2.4 諧雜波抑制

諧雜波受限因素包括本振雜散、射頻/ 本振泄漏、中頻信號(hào)諧波。

2.4.1 本振雜散

需要嚴(yán)格控制泄漏到中頻帶內(nèi)的本振雜散。一方面在本振電路中加強(qiáng)濾波；另一方面選擇具有高通特性的本振放大器，以達(dá)到濾除本振雜散的目的。

2.4.2 射頻/ 本振信號(hào)

中頻鏈路上有多級(jí)低通、帶通濾波，且中頻放大器、衰減器均呈低通特性，因此射頻/ 本振信號(hào)的泄漏指標(biāo)可以滿足系統(tǒng)要求；射頻/ 本振泄漏主要來(lái)自模塊內(nèi)部空間，可以通過(guò)加強(qiáng)蓋板隔離措施來(lái)解決。

2.4.3 中頻信號(hào)諧波

中頻鏈路上布置了帶通、低通濾波器，且輸出端加諧波抑制比好的低通濾波，因此保證了中頻諧波抑制比。

2.5 帶內(nèi)群時(shí)延波動(dòng)

帶內(nèi)群時(shí)延波動(dòng)主要由濾波器決定，射頻濾波器的群時(shí)延≤ 2 ns，中頻濾波器的群時(shí)延≤ 8 ns，總計(jì)滿足≤ 10 ns 的要求。

2.6 通道間隔離度

通道間隔離度受限于3 個(gè)方面：鏈路自身的隔離、電源隔離和空間隔離。

2.6.1 鏈路自身的隔離

鏈路上只有本振存在連接關(guān)系，隔離環(huán)路為：混頻器1→ 本振驅(qū)放1→ 功分器→ 本振驅(qū)放2→混頻器2。

隔離度分別為：-20 dB（ 混頻器隔離）、-40 dB（本振驅(qū)放1 反向隔離）、-18 dB（功分器隔離）、22 dB（本振驅(qū)放2 增益）、-20 dB（混頻器隔離）。經(jīng)計(jì)算得出：隔離度達(dá)到76 dB，設(shè)計(jì)指標(biāo)的余量較大。

2.6.2 電源隔離

電源隔離主要由旁路濾波電容保證，每個(gè)饋電點(diǎn)都增加了旁路濾波器電容，保證通道間的電源隔離達(dá)到45 dB 以上。

2.6.3 空間隔離

通過(guò)在蓋板上加隔離條實(shí)現(xiàn)空間隔離，空間隔離度預(yù)計(jì)達(dá)到50 dB 以上。

2.7 多通道增益一致性

影響多通道增益一致性的主要因素包括射頻接頭/ 多層板裝配一致性和器件一致性。由于射頻帶寬較寬，幅度一致性預(yù)計(jì)達(dá)到±0.7 dB（調(diào)試量較大）。

2.7.1 射頻接頭/ 多層板裝配一致性

通過(guò)裝配工藝保證射頻接頭/ 多層板裝配一致性，嚴(yán)格控制焊膏/ 焊錫量、燒結(jié)溫度/ 時(shí)間，燒結(jié)完成后，抽樣進(jìn)行X 光檢查，其主要用于封裝好的產(chǎn)品內(nèi)部檢查，或燒結(jié)好的器件底部與基片黏結(jié)情況的檢查，剔除不滿足接地要求的模塊。

2.7.2 器件一致性

采購(gòu)器件時(shí)，針對(duì)器件的重要參數(shù)（增益/ 插損、回波損耗等）進(jìn)行篩選，確保器件具有良好的幅度一致性。同時(shí)在鏈路上預(yù)留π 型衰減器以補(bǔ)償幅度差異。

2.8 多通道相位一致性

影響相位一致性的主要因素包含射頻接頭/ 多層板裝配一致性、射頻線電長(zhǎng)度一致性、金絲鍵合長(zhǎng)度和器件一致性。多通道間的相位一致性能達(dá)到±10°。

2.8.1 射頻線電長(zhǎng)度一致性

不同通道的射頻線電長(zhǎng)度一致性控制在0.1 mm以內(nèi)，同時(shí)加工誤差會(huì)引入額外的不一致性，在鏈路中加小步進(jìn)的調(diào)相器以補(bǔ)償射頻線電長(zhǎng)度的差異。

2.8.2 金絲鍵合長(zhǎng)度

由于模塊工作頻率達(dá)到10.5 GHz，金絲鍵合長(zhǎng)度帶來(lái)的相位不一致性是顯著的，因此在金絲鍵合工藝環(huán)節(jié)中需嚴(yán)格控制金絲鍵合長(zhǎng)度及位置。

2.9 變頻模塊功耗統(tǒng)計(jì)

電源轉(zhuǎn)換效率，直流轉(zhuǎn)直流電源（DC-DC）為85%，低壓差穩(wěn)壓器（low dropout regulator，LDO）為90%（5.5 V 轉(zhuǎn)5 V）。變頻模塊采用的供電電壓為12 V。

3 電路布局

模塊的整體布局分為3個(gè)部分，包括射頻部分、中頻部分和電源部分[3]。輸入射頻部分選用的器件大部分為裸芯片，采用獨(dú)立的密封腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部蓋板加隔墻以分隔8 路信號(hào)，外蓋板采用激光封焊。混頻后的中頻部分均為封裝器件，故不考慮密封性，只考慮信號(hào)的濾波及隔離。電源部分主要將外部12 V 的供電電壓穩(wěn)壓后，給射頻部分和中頻部分提供所需電壓和電流。

3.1 射頻印制板

射頻印制板主要集中了數(shù)控衰減器，低噪放，濾波器及I/Q 混頻器。背面主要是對(duì)本振信號(hào)的一分八功分器（射頻器件）。為了使變頻模塊實(shí)現(xiàn)其輕、薄、小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用射頻多層板的設(shè)計(jì)方案。

3.1.1 材料選擇

材料選用ROGERS 公司的RO4350B 碳?xì)涮沾商畛浒澹?芯板） 和RO4450F（ 半固化片），RO4350B 屬于高頻微波材料，在X 波段性能優(yōu)良。

3.1.2 疊層分布

本設(shè)計(jì)共采用6 層板，第1 層和第6 層為射頻層；第2 層和第5 層為接地（GND）層；第3 層為電源層；第4 層為控制信號(hào)層。射頻、電源和控制信號(hào)之間有地層隔離，最大限度地減小干擾，避免引入其他射頻信號(hào)。

3.1.3 盲孔規(guī)劃

整個(gè)基板共包括3 階盲孔結(jié)構(gòu)，分別為1 ～ 2 層盲孔、1 ～ 4 層盲孔、5 ～ 6 層盲孔和1 ～ 6 層通孔，利用地孔加強(qiáng)通道間和波束間的板上隔離以避免泄漏情況。多層板盲孔規(guī)劃如圖 1 所示。

變頻模塊采用多層板將控制電路和射頻電路相結(jié)合，減少了連接器和飛線，提高了模塊可靠性。功分器大部分采用微帶線設(shè)計(jì)，功分器在表層，中間層為電源和控制線。射頻印制板如圖 2 所示。

3.2 中頻印制板

中頻印制板主要集中了數(shù)控衰減、放大器及中頻濾波[4]。由于空間不夠，為布板方便采用了4 層板，第1 層為射頻層；第2 層為GND 層；第3 層為電源層；第4 層為控制信號(hào)層。第1 層的射頻信號(hào)頻率不高，但為了保證相位的一致性，頂層基片依然采用ROGERS 公司的RO4350B 碳?xì)涮沾商畛浒澹ㄐ景澹琑O4350B 屬于高頻微波材料，在X 波段性能優(yōu)良，介電常數(shù)均勻，相位一致性較好。其他層為電源及控制信號(hào)，采用附著力強(qiáng)的低頻板材FR-4。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變頻模塊是3U 尺寸VPX 板卡，模塊三維結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

射頻部分是獨(dú)立密封腔，輸入為燒結(jié)的SMP高頻接頭，輸出和控制均為燒結(jié)的玻珠[5]。

要保證隔離度的指標(biāo)符合要求，還需要考慮內(nèi)部空間輻射的因素，消除空間輻射的具體方法如下。

（1）電源線上采用不同容量的電容對(duì)不同頻率的干擾信號(hào)進(jìn)行濾除。

（2）采用金屬腔體屏蔽模塊外的信號(hào)。

（3）內(nèi)部蓋板將每路信號(hào)分成8 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的腔，每個(gè)輸入端之間增加隔墻以阻擋輻射信號(hào)。

（4）最大限度地降低信號(hào)的相互串?dāng)_。

考慮到模塊內(nèi)部有裸芯片，所以其中的射頻部分采用激光封焊的方式進(jìn)行氣密封裝。根據(jù)激光封焊工藝，模塊采用下沉式蓋板結(jié)構(gòu)，腔體與蓋板的配合處嚴(yán)格控制公差，確保激光封焊所需的配合間隙符合要求。模塊內(nèi)腔底面加工粗糙度為3.2μm，平面度達(dá)0.05mm，保證了基片燒結(jié)、芯片黏結(jié)的可靠性。模塊腔體內(nèi)腔及接插件安裝孔部位局部鍍金，基片、射頻輸入/ 輸出及控制接頭均采用合金燒結(jié)在腔體上，其性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠。

在充滿惰性氣體的手套箱中完成模塊腔體封蓋焊接過(guò)程，這種方式可以有效控制密封腔體內(nèi)部的水汽含量并將氧氣隔離，使產(chǎn)品內(nèi)部的功能單元在一個(gè)惰性氣體環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、可靠地工作。

變頻模塊整體尺寸為100 mm×170.5 mm×24 mm（長(zhǎng)× 寬× 高），是標(biāo)準(zhǔn)3U 尺寸VPX 板卡。該模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，以方便維修和更換。其還采用一體化支架，保證了安裝孔、定位孔公差尺寸和定位基準(zhǔn)。模塊包括射頻接口、加電控制接口等。預(yù)估組件總重量約為550g。

5 結(jié)論

對(duì)模塊的指標(biāo)和影響模塊性能指標(biāo)的因素進(jìn)行了全面分析，過(guò)程中還進(jìn)行了必要的仿真，選擇了合適的器件、材料、工藝，最終形成了設(shè)計(jì)方案。此方案變頻模塊鏈路預(yù)算、器件選型合理，結(jié)構(gòu)、工藝成熟可控，模塊的功能、性能等參數(shù)能夠滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行要求。