一种下变频电路的研究与设计

李 伟

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

多模式雷达是是海军海上信息获取的重要途径,可对舰队周边进行警戒/搜索,扩展舰船自有探测范围,兼顾侦察任务和海面气象探测任务,是海军重要无人机载对海监视雷达装备,将牵引后续系列化无人机载广域海上监视雷达装备的发展。雷达系统采用有源相控阵[1],往往具备对海面舰船目标警戒搜索/跟踪监视、合成孔径成像、对空探测和气象探测功能。

雷达系统有源射频单元部分主要由有源天线阵面和低功率射频单元两大部分组成,实现系统宽带SAR/ISAR、窄带xMTI和气象探测等功能。

低功率射频单元,包括一体化宽带收发[2-4]、一体化窄带接收和微系统集成频率源,再通过一体化结构集成设计形成一个独立的可更换单元实现。可以实现窄带工作模式、宽带工作模式。

下变频电路[5]作为窄带接收的重要组成部分,其功能是将有源天线阵面送来的回波信号频率变换、并进行滤波放大等,送入数字接收单元,再进入信号处理系统。为了满足高集成度的需求, 基于SIP理念,本文设计了一种基于高温共烧陶瓷(HTCC)封装工艺[6-8]、微波多芯片模块(MMCM)、高密度微波电路技术[9-10]的下变频电路的实现方法。该组件适用于表贴应用,覆盖S波段整个频段,体积小、重量轻,使得整个射频单元的集成度和可靠性大幅度提高。满足雷达、通信等系统需求。

1 电路设计

接收时回波信号经有源天线阵面天线接收、T/R组件、子阵合成和子阵延迟放大后形成子阵的回波射频信号,经多路低功率射频窄带模拟变频接收后送入多通道数字接收机,通过数字化、数字解调和数据融合,产生基带窄带I/Q信号,并通过开窗数据缓存和光接口送给信号处理。

1.1 电路架构

下变频模块射频链路主要由放大器、数控衰减器、混频器和滤波器等多功能芯片集成,电路结构示意图如图1所示。射频和中频设置两级放大器,以提高输出功率。控制数控衰减器的衰减码,从而调节电路的增益。混频器将射频信号频率变换至中频,两级滤波器滤除带外噪声和干扰以及谐波和杂散信号。模块还具有本振驱动和放大功能。此外,模块集成了数控驱动电路,和控制信号抗干扰匹配电路。实现了小体积、高集成,多功能。

1.2 链路设计

由多级级联器件噪声公式[11]可知,决定通道噪声系数的主要是第一级放大器的噪声系数。所以第一级放大器按最小噪声系数选择,同时第一级放大器的高增益可以削弱后级对噪声系数的影响。根据技术指标要求,选择低噪声放大器,其噪声系数2.0dB、增益20dB,噪声系数能更加得益。

第二级放大器在提供足够增益的同时,兼顾1dB压缩点功率,选择具有高P-1放大器,可以使得接收前端有较大的线性范围,并且保证带内杂波或谐波有较高的抑制,因此,根据技术指标要求,放大器选择P-1达20dBm 的芯片放大器,在实际使用时放大器工作在其P-1回退8dB～10dB 的线性区,其无杂散动态有较大提高。理论计算后,通道噪声系数NF≤3dB,增益G=26.7dB,P-1也满足指标要求。

为了提高变频模块线性动态范围,通过在两级放大器中间串接一级数控衰减器,增益控制量为20dB,可进行增益自动控制,使得系统动态范围由瞬时动态45dB扩大到65dB,满足线性最大输入信号的指标要求。

混频器选择双平衡混频器电路,工作带宽可达数个倍频程,射频信号和本振端口隔离好;如果考虑谐波分量,混频器的输出仅含有奇次谐波的和、差分量,偶次谐波分量均被抵消掉。其输出频谱比较理想。

1.3 链路主要指标计算

选定器件后,利用ADS 仿真软件对该模块的射频链路预算做仿真分析,重点关注整个链路的增益、输出1dB压缩点、噪声系数等指标。链路仿真模型和仿真结果如图2、图3所示。

图2 链路预算仿真

图3 链路预算仿真结果

图3中仿真结果显示了链路的噪声系数、输出1dB压缩点、增益、OIP3指标计算结果。由此可知,模块的通道噪声系数NF≤3dB,增益约为26.1dB,此时的OIP3约为28.3dBm,可以满足系统指标要求。

1.4 杂谐波抑制设计

频率窗口选择综合考虑本模块内部以及外部设备接口设计。内部主要是参与混频的信号之间的交调要落在有用信号带宽之外,以及信号和本振、中频之间的频率关系,便于滤波器的设计和实现选择等。外部主要是频率源的设计和AD器件的实现角度。

从互调分析看,混频频率窗口在中频带内无13次以内交调出现,所选择的混频器带内外交调测试结果抑制度65dBc以上,加之链路里级联的多级低通滤波器,通过合理分配链路增益及选择工作点,该模块带内交调抑制度65dBc以上。

对于混频产生的低次谐波信号,以及存在的最低次互调5RF-4LO,为带外信号,为进一步提高抑制度,可通过在本变频模块后级外挂中频滤波器,如LC滤波器来实现很好的抑制。仿真计算模型和结果如图4、图5所示。

图4 链路谐波平衡仿真

图5 谐波平衡仿真仿真结果

根据所选混频器件,中频输出端对本振、射频信号的最小抑制度分别为35dBc、20dBc,加上模块中各级滤波器对本振和射频的抑制作用,预计模块对本振和射频信号的抑制分别可以满足60dBc、45dBc的指标要求。

关于射频镜像频率信号,可以通过在混频前加滤波器来进行抑制,根据最大带宽需求,可以基于声表或陶瓷介质滤波器等来实现,一般可满足40dB以上镜像抑制的需求。考虑到微组装和小型化设计,该类表贴型滤波器可在本变频模块前级外挂实现。

2 电路封装设计

变频电路封装形式采用温共烧陶瓷(HTCC)基板和金属壳体的一体化烧结工艺制作,该多层基板布线密度高,层间互连孔径小。加上多功能芯片技术,采用先进的微组装工艺装配于高集成的封装内,可以满足电路小型化、高集成的需求。

高集成往往更需要充分考虑组件电磁兼容等问题,根据变频组件的设计方案,本文基于HFSS仿真软件[12]对组件封装腔体效应、多层陶瓷基板射频信号垂直互连等进行建模仿真,并通过电路合理布局等设计,实现了组件的高性能。

2.1 腔体效应仿真设计

在微波电路的设计中,微波的腔体效应对电路的稳定性起重要作用。需要综合考虑微波组件的形状、尺寸和电路布局等结构参数对S 参数的影响。由于微波组件内部结构复杂,再加上器件对腔体的微扰,很难完全从理论上精确完成微波腔体的设计。本文通过首先利用电磁理论腔体公式,初步计算腔体尺寸,再结合具体情况,综合考虑金属腔体内介质基板及电路布局的影响,利用仿真软件建模仿真计算。

这里借助电磁场仿真工具HFSS来对实际应用状态的谐振特性进行分析。组件中的MMIC、金丝等器件均用微带线直接代替。微带线的布局根据实际的芯片布局设定。模型如图6所示。空腔的尺寸为14.6mm×11.6mm×3mm,HTCC基板厚度为1mm。利用HFSS软件进行仿真,考虑到元器件的工作带宽和组件的设计,工作带宽为2.75GHz～2.85GHz,以2GHz 为振荡频率的计算起始点,计算比其更高的振荡频率。

图6 腔体效应仿真

对腔体模型采用本征模式分析,仿真结果如图7所示。通过对仿真结果分析可以发现,没有电磁谐振频率点位于带内,不会产生自激问题,可以获得很好的组件性能。

图7 腔体谐振特性仿真结果

2.2 电路布局、图层设计

考虑到信号传输完整性问题,综合设计组件封装尺寸和接口定义,电路布局时本振信号与中频信号、射频信号不存在交叉走线,这样可以获得较高的射频信号隔离度。射频信号采用“微带线-带状线-微带线”的垂直过度方式,具有很好的抗干扰和电磁兼容性能。基于HTCC基板高密度高集成布板特性,该电路功能可以通过四层介质、四层金属层图形多层板来实现。

2.3 微波传输结构仿真

由于采用HTCC与可伐合金壳体一体化烧结,射频端口由壳体引脚输入到HTCC基板的Bottom层,再垂直过渡到定顶层布线,再与射频链路互联。形成“微带线-传输通孔-微带线”的三维垂直互连传输模型。对射频信号垂直过渡结构进行建模仿真,微带线与带线之间采用准同轴形式实现微波信号的三维垂直互联传输,采用准同轴传输形式带宽宽且损耗小。三维模型如图8所示。

图8 射频垂直互连传输模型

在ANSYS仿真环境下,分别对微波信号传输孔、准同轴屏蔽环形接地孔、接地面上孔的排列、各段带线及匹配枝节的尺寸等结构参数优化仿真,并且考虑实际加工装配和工艺的可实现性,最终得到传输电路结构。其仿真结果如图9所示。结果表明,该设计可以达到驻波小于1.15,插损小于0.05dB,传输性能良好,满足系统指标使用需求。

图9 垂直过渡仿真结果

3 电路测试

3.1 测试系统设计

该变频组件测试通过专用测试夹具和测试软件和测试系统完成,可以完成组件指标测试、存储及数据后处理。测试系统包括四端口变频矢网、频谱分析仪和噪声系数分析仪等仪表系统[13],以及专用测试适配系统,可实现组件不同指标测试时仪表切换,以及为变频组件提供控制信号,控制组件内数控衰减状态。该测试系统设计能够快速完成变频组件指标自动化测试。

3.2 测试结果

根据上述设计,生产的S波段下变频模块实物如图10所示。对装机批量组件的性能指标进行测试,100MHz工作带宽内,结果如下:通道增益27±0.5dB;P-1输出≥17.6dBm;单通道带内增益起伏≤1dB;噪声系数≤4dB;本振隔离度≥60dBc;射频-中频端口隔离≥42dBc;中频输出带内杂散抑制≥70dBc;射频输入驻波≤1.8;中频输出驻波≤1.4;本振驻波≤1.5。组件典型测试波形如图11-图14所示。

图10 下变频模块实物图

图11 增益、带内起伏、驻波测试结果

图12 P-1压缩点测试

图13 基态噪声系数测试结果

图14 本振-中频端口隔离度测试

以上测试结果表明,该下变频模块具有增益带内起伏小、低噪声系数、射频隔离度高、高杂散抑制、组件间增益一致性好等特点,各项技术指标均能够很好地满足项目应用需求。

4 结束语

本文设计了一种小型化下变频电路,该模块基于三维集成的设计理念和陶瓷一体化封装技术,通过射频链路仿真设计、结构工艺设计,组件腔体、射频垂直互联仿真,并合理布局内部电路等,实现了组件的高性能集成,测试结果表明各项指标均满足系统要求,电路的可靠性和可制造性也得到充分验证,可以广泛应用于地面、机载等平台的相控阵雷达。