熊文毅

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

對(duì)射頻泄露信號(hào)的抑制是射頻前端設(shè)計(jì)中一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。較大地泄露信號(hào)會(huì)導(dǎo)致射頻前端工作異常,如自激、關(guān)鍵指標(biāo)(噪聲系數(shù)、功率、雜散、交調(diào)、檢測(cè)靈敏度等)惡化等。

隨著信號(hào)工作頻率的升高(如X頻段以上),器件、電路的寄生參數(shù)對(duì)電性能的影響顯著增加,加大了分析和設(shè)計(jì)的難度[1]。

Ku頻段接收前端包含了一路射頻耦合支路。耦合支路將輸入的射頻信號(hào)提供給后面的鑒頻模塊,進(jìn)行頻率判決。由于接收前端中頻信號(hào)小于100MHz,本振信號(hào)與接收到的射頻信號(hào)頻率相近,泄漏到射頻耦合輸出端的本振信號(hào)會(huì)影響鑒頻電路對(duì)微弱射頻接收信號(hào)的鑒頻。為提高整機(jī)的鑒頻靈敏度,接收前端必須確保對(duì)本振泄漏信號(hào)的高抑制度。

本文通過(guò)對(duì)射頻信號(hào)的多種泄露途徑進(jìn)行詳細(xì)分析,針對(duì)性地采取了解決措施。在滿足噪聲系數(shù)、最大輸入P-1dB等關(guān)鍵指標(biāo)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了對(duì)本振泄露信號(hào)的高抑制度。研制完成的5套接收前端交付用戶聯(lián)試,完成了各項(xiàng)試驗(yàn),工作正常。

2 接收前端設(shè)計(jì)

2.1 接收前端電路原理

接收前端包含了三路接收支路和一路射頻耦合輸出支路。接收支路對(duì)接收到的微弱射頻信號(hào)進(jìn)行放大、下變頻后輸出。射頻耦合支路將輸入的射頻信號(hào)分出一路,提供給后面的鑒頻模塊,進(jìn)行頻率判決。接收前端的主要指標(biāo)如下:

射頻輸入頻率:Ku頻段;

射頻帶寬:±0.5GHz;

中頻輸出頻率:<100MHz;

接收噪聲系數(shù):≤3.5dB;

接收增益:35±3dB;

最大輸入P-1dB:≥-15dBm(中頻衰減);

鏡頻抑制:≥20dB;

耦合輸出端本振抑制度:>90dBc(耦合支路的接收射頻信號(hào)增益>8dB)。

兼顧各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo),設(shè)計(jì)接收前端的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 接收前端工作原理框圖Fig.1 Schematic diagram of receiver front-end

三路接收支路的電路基本相同。第一接收支路的第一級(jí)低噪放后通過(guò)功分器提供一路射頻信號(hào)給鑒頻電路,這樣可以降低耦合支路的噪聲系數(shù),提高鑒頻電路的鑒頻靈敏度。

2.2 高本振抑制設(shè)計(jì)

接收前端的本振信號(hào)與射頻接收信號(hào)的頻差小于100MHz,同為Ku頻段。對(duì)本振信號(hào)的泄露途徑進(jìn)行分析,主要?dú)w納為射頻電路通道、饋電線路通道和空間輻射通道3個(gè)泄露通道。在電路、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮提高上述3個(gè)泄露通道的本振信號(hào)抑制能力,確保最終實(shí)現(xiàn)指標(biāo)要求。

2.2.1 射頻電路通道

為了提高接收前端的輸入 P-1dB,同時(shí)抑制鏡頻噪聲干擾,接收支路的下混頻選用高輸入P-1dB的基波鏡頻抑制混頻器,因此需要大于13dBm的本振驅(qū)動(dòng)功率。為了簡(jiǎn)化電路,本方案對(duì)本振信號(hào)先放大后再一分三,驅(qū)動(dòng)各路混頻器。

耦合支路采用功分器電路引出射頻信號(hào)。相對(duì)于傳統(tǒng)的耦合器電路,功分器因?yàn)椴煌丝陂g的損耗(隔離)值的差異,可以提高A點(diǎn)(圖1)處接收射頻信號(hào)對(duì)本振泄漏信號(hào)的比值,提高鑒頻電路的靈敏度。

為了提高射頻增益,接收支路采用2級(jí)放大器。為了保證輸入 P-1dB指標(biāo),又利用衰減器降低多余的增益。這種電路布局較為復(fù)雜,但是卻可利用第二級(jí)放大器的反向隔離和衰減器的鏈路損耗,提高射頻電路通道的反向隔離度。當(dāng)然,使用隔離器也可實(shí)現(xiàn)一定的反向隔離度。但比較而言,本方案電路具有尺寸小、隔離度更高的優(yōu)勢(shì),而且便于多芯片平面一體化集成。

本振信號(hào)的射頻電路泄露通道見(jiàn)圖1,其對(duì)本振信號(hào)的抑制統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 射頻電路通道對(duì)本振信號(hào)的抑制Table 1 LO-rejection in RF channel

由表1統(tǒng)計(jì)值可知,射頻電路通道對(duì)本振泄漏信號(hào)的抑制值約為100dB,滿足抑制要求。

2.2.2 饋電線路通道

由于工作頻率高至Ku頻段,此頻率下單片放大器電路中集總器件的Q值受限。而單片放大器尺寸小,端口間存在輻射泄露,所以信號(hào)輸入、輸出端口與直流饋電端的隔離度有限[2],約為30dBc。

本振輸入信號(hào)從本振放大器的輸出端泄漏到饋電端,經(jīng)共用饋電線路泄漏到第一級(jí)低噪放饋電端口,由第一級(jí)低噪放放大后傳輸?shù)缴漕l耦合端口。在電路設(shè)計(jì)中可考慮在單片放大器饋電端并聯(lián)高Q值濾波電容,抑制信號(hào)泄露。

因?yàn)镵u頻段信號(hào)波長(zhǎng)較短,可采用如圖2所示微帶電路進(jìn)行抑制。利用1/4波長(zhǎng)微帶線的阻抗倒換特性[3],使饋電支路的輸入端面對(duì)射頻信號(hào)呈現(xiàn)開(kāi)路狀態(tài),達(dá)到抑制信號(hào)泄露的目的。圖3為射頻抑制饋電線的場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)。

圖2 饋電線模型Fig.2 Model of feeding-line

圖3 饋電線仿真數(shù)據(jù)Fig.3 Simulation data of feeding-line

但因?yàn)榫植靠臻g輻射耦合的存在,濾波電容加1/4波長(zhǎng)變阻抗微帶饋電線對(duì)射頻信號(hào)的抑制僅可實(shí)現(xiàn)大于40dBc的抑制。

對(duì)饋電線泄露通道的本振信號(hào)抑制統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 饋電線通道對(duì)本振信號(hào)的抑制Table 2 Lo-rejection in DC feeding channel

由表2統(tǒng)計(jì)值可知,饋電線路泄露通道對(duì)本振泄漏信號(hào)的抑制值約為124dBc,滿足抑制要求。

2.2.3 空間輻射通道

Ku頻段的本振信號(hào)輻射泄漏非常嚴(yán)重。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)以下兩種措施提高對(duì)射頻信號(hào)輻射泄露的抑制。

(1)利用屏蔽腔的低頻率截止性

將上腔開(kāi)槽,形成屏蔽腔,抑制放大器和傳輸線路的輻射泄漏。

屏蔽腔截止頻率近似公式[4]為

式中,a為波導(dǎo)盒的寬邊(與基片平行),b為波導(dǎo)盒的窄邊,h為基片厚度,εr為基片相對(duì)介電常數(shù),c為光速。

參考式(1)選擇屏蔽腔尺寸,其3D模型(局部)見(jiàn)圖4,屏蔽特性仿真見(jiàn)圖5。由圖可知,滿足抑制要求。

圖4 結(jié)構(gòu)3D模型Fig.4 3D-model of structure

圖5 信號(hào)傳輸特性仿真Fig.5 Simulation data of signal transmission

(2)縫隙耦合抑制

結(jié)構(gòu)加工時(shí),上下腔接觸面不可能完全平整,局部難免存在縫隙。射頻信號(hào)會(huì)通過(guò)縫隙耦合方式泄露[5]。耦合縫隙的寬度和高度尺寸決定了信號(hào)耦合的強(qiáng)弱。建立縫隙耦合3D模型(見(jiàn)圖6),進(jìn)行場(chǎng)仿真。

圖6 縫隙耦合3D模型Fig.6 3D-model of aperture coupled

改變縫隙的寬度和高度,得到不同的仿真數(shù)據(jù),如圖7。由圖7結(jié)果可知,減小耦合縫寬度,降低耦合縫高度可以有效降低射頻信號(hào)的耦合泄露?？梢酝ㄟ^(guò)提高上下腔接觸面平整度,增加壓接螺釘密度來(lái)控制耦合縫尺寸,達(dá)到抑制耦合泄露的目的。

圖7 縫隙耦合特性仿真Fig.7 Simulation data of aperture coupled

射頻信號(hào)的實(shí)際泄露途徑是上述3個(gè)泄露途徑的復(fù)雜綜合,所以應(yīng)以這些基本泄露途徑為基礎(chǔ),對(duì)各級(jí)電路、各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析,提高整體抑制能力。

3 接收前端測(cè)試

按照上述設(shè)計(jì)思路,完成了5套Ku頻段接收前端的研制。接收前端關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試值如下:

噪聲系數(shù):2.9～3.1dB;

增益:34.5～35.5dB;

輸入 P-1dB:≥-15dBm;

鏡頻抑制度:22～30dB;

本振抑制度:90～96dBc;

輸入駐波:≤1.2。

由測(cè)試結(jié)果可知,對(duì)射頻信號(hào)泄露途徑的歸納、分析是準(zhǔn)確的,采取的優(yōu)化措施和抑制設(shè)計(jì)方法是有效的。

4 結(jié) 論

對(duì)射頻信號(hào)的泄露途徑進(jìn)行歸納和分析,采取了相應(yīng)的抑制措施。參考指標(biāo)要求,對(duì)電路和結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)本振泄露信號(hào)的抑制最高達(dá)96dBc。

本文介紹的泄露抑制分析方法和抑制設(shè)計(jì)措施也適用于其它同類(lèi)型高頻段前端(如K頻段、Ka頻段)的雜散抑制設(shè)計(jì)。

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