石 超，王喬楠，王元佳，任玉興(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引 言

在航空、航天技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，平臺(tái)裝機(jī)設(shè)計(jì)不斷增加空間、重量、功耗要求，與航行速度、續(xù)航時(shí)間的矛盾非常突出，對(duì)航空裝備輕量化、小型化的設(shè)計(jì)需求強(qiáng)烈[1]。要實(shí)現(xiàn)電路整體設(shè)計(jì)的小型化，就要從復(fù)雜、繁瑣的級(jí)聯(lián)電路設(shè)計(jì)中解脫出來。本文利用薄膜體聲波諧振(FBAR)濾波器、聲表面波(SAW)濾波器、微波單片集成電路(MMIC)有源芯片微組裝薄膜工藝來實(shí)現(xiàn)通道小型化，最后對(duì)該接收通道進(jìn)行測試，性能滿足指標(biāo)要求。

1 電路原理

1.1 電路原理及主要技術(shù)指標(biāo)

本文采用薄膜混合集成電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工作頻率2 492 MHz±6 MHz的小型化接收前端。指標(biāo)要求如下：

(1) 本振(LO)頻率2 382 MHz；

(2) 射頻(RF)頻率2 492 MHz±6 MHz；

(3) 中頻(IF)頻率110 MHz±6 MHz；

(4) RF功率-130 dBm～-55 dBm；

(5) 增益≥50 dB；

(6) 噪聲系數(shù)≤3.0 dB；

(7) 中頻端口對(duì)本振抑制≥55 dBc；

(8) 鏡像抑制≥70 dBc；

(9) 中頻信號(hào)諧波抑制≥40 dBc；

(10) 輸出三階截點(diǎn)≥30 dBm；

(11) 當(dāng)1 615 MHz干擾信號(hào)以15 dBm輸入時(shí)，保證低噪聲放大器線性工作。

1.2 設(shè)計(jì)方案

S波段接收模塊主要由兩級(jí)FBAR濾波器、一級(jí)射頻低噪聲放大器芯片、混頻器、三級(jí)中頻放大器芯片及聲表SAW濾波器芯片構(gòu)成。FBAR濾波器體積大小為1.0 mm×1.0 mm×0.4 mm，比傳統(tǒng)介質(zhì)濾波器體積小幾十倍，如圖1所示。低噪聲放大器芯片尺寸為2.6 mm×1.2 mm×0.2 mm，如圖2所示。

利用微組裝薄膜工藝，將芯片用導(dǎo)電膠粘接到薄膜基片上，輸入輸出用金絲鍵合將芯片互連。注意鍵合金絲的條數(shù)與跨距，一般低于8 GHz以下，鍵合金絲條數(shù)一般為2根，更高頻率采用3根甚至4根金絲[2]。該模塊的作用是對(duì)從天線接收過來的微弱射頻信號(hào)放大、變頻成中頻信號(hào)，再放大及抑制干擾信號(hào)，接收模塊原理圖見圖3。為了讓各個(gè)模塊間匹配更加良好，在模塊間加一些寬帶衰減器，同時(shí)也可以起到調(diào)節(jié)增益大小的作用。

圖1 FBAR濾波器芯片

圖2 低噪聲放大器芯片

圖3 接收模塊原理圖

2 接收通道主要指標(biāo)設(shè)計(jì)分析

2.1 靈敏度與噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)分析

靈敏度是衡量接收機(jī)檢測弱小信號(hào)能力的重要指標(biāo)[3]。接收通道靈敏度計(jì)算公式為：

Smin=-174+10lgB+Fn+σSNR

(1)

式中：Smin為靈敏度，單位為dBm；B為中頻帶寬，單位Hz；Fn為噪聲系數(shù)，單位dB；σSNR為檢波識(shí)別門限(S/N)/N，單位為dB。

由公式可知，接收通道靈敏度主要由噪聲系數(shù)和中頻帶寬決定。一般系統(tǒng)中，中頻帶寬都是固定的參數(shù)，所以只有減小噪聲系數(shù)才是提高靈敏度的有效方法。

噪聲系數(shù)是表征接收通道元件內(nèi)部的輸入和輸出之間的信噪比遞降的一種量度。由于接收通道由濾波器、放大器和混頻器等組成，級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)就是接收通道的總噪聲系數(shù)。

計(jì)算總噪聲系數(shù)公式為：

Nf=Nf1+Nf2-1/G1+Nf3-1/G1G2+…

(2)

從公式可以看出，當(dāng)G1很大時(shí)，總噪聲系數(shù)取決于Nf1。對(duì)于無源器件，插入損耗即代表該器件噪聲系數(shù)。低噪聲放大器是實(shí)現(xiàn)接收通道低噪聲系數(shù)的關(guān)鍵器件。低噪聲放大器要有低的噪聲系數(shù)、較大的增益，這些對(duì)于總噪聲系數(shù)起決定性作用。

在本方案設(shè)計(jì)中，由于要使得該模塊小型化，采用自主設(shè)計(jì)的FBAR濾波器。該濾波器插入損耗為1.5 dB，如圖4所示。該圖是由實(shí)測的S2P文件仿真出的結(jié)果。

圖4 FBAR濾波器技術(shù)指標(biāo)

低噪聲放大器芯片采用BW276，噪聲系數(shù)為0.8 dB，如圖5所示。增益為28 dB，如圖6所示。

圖5 BW276噪聲系數(shù)

圖6 BW276增益

表1為接收通道器件的選擇。

通過軟件計(jì)算得出總噪聲系數(shù)為2.54 dB，理論值滿足指標(biāo)要求，見圖7。

2.2 干擾信號(hào)與鏡像頻率信號(hào)設(shè)計(jì)分析

當(dāng)一個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)輸入端后，假如輸入端口電路抑制不良，會(huì)使前端電路內(nèi)的放大器工作于嚴(yán)重的非線性區(qū)域，甚至完全破壞放大器的工作狀態(tài)，使輸出信噪比大大下降。當(dāng)信號(hào)過強(qiáng)時(shí)，可能導(dǎo)致放大器正常工作狀態(tài)被破壞，產(chǎn)生了完全堵死的阻塞現(xiàn)象[4]。

表1 為接收通道器件參數(shù)

圖7 噪聲系數(shù)、增益及三階截點(diǎn)圖

由于接收前端有干擾信號(hào)功率在15 dBm，并且保證低噪聲放大器線性工作，所以在低噪聲放大器前端加入帶通濾波器來抑制這個(gè)干擾信號(hào)。由于低噪聲放大器增益為28 dB，輸出1 dB壓縮點(diǎn)功率為12 dBm，所以要保證濾波器對(duì)1 615 MHz抑制為30 dBc以上，低噪聲放大器才會(huì)線性工作。選用FBAR濾波器，該濾波器面積大小為1.0×1.0 mm2。由于該波段可以用介質(zhì)濾波器和聲表濾波器，但是它們的面積都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過FBAR濾波器大小。實(shí)測FBAR濾波器指標(biāo)為：對(duì)1 615 MHz抑制為37 dBc，如圖4所示。當(dāng)15 dBm干擾信號(hào)進(jìn)入后，放大器也會(huì)正常線性工作。

本方案采用超外差結(jié)構(gòu)接收模式，該結(jié)構(gòu)通過選擇適當(dāng)?shù)臑V波器獲得極佳的靈敏度和選擇性。最大的特點(diǎn)是組合干擾頻率比較多，最嚴(yán)重的是鏡像頻率干擾。本文選用的濾波器對(duì)2 272 MHz鏡像頻率抑制為35 dBc以上，如圖4所示。兩級(jí)鏡頻濾波器對(duì)鏡像頻率抑制能夠達(dá)到70 dBc以上。

2.3 輸出三階截點(diǎn)分析設(shè)計(jì)

接收通道由濾波器、放大器及混頻器等多級(jí)模塊構(gòu)成，每一級(jí)模塊都在一定程度上存在著非線性失真。接收通道的非線性失真一般用三階互調(diào)截點(diǎn)來描述。因此，提高接收通道的線性度主要就是提高接收通道的三階截點(diǎn)。接收通道的三階截點(diǎn)與各級(jí)模塊的三階截點(diǎn)、增益等指標(biāo)存在一定的制約關(guān)系。

此接收通道總的三階互調(diào)截點(diǎn)IIP3公式為：

1/IIP3=1/(IIP3)1+G12/(IIP3)2+(G1G2)2/(IIP3)3+…

(3)

式中：IIP3為接收通道的三階互調(diào)截點(diǎn)[5]；(IIP3)1和G1分別為第1級(jí)電路的三階互調(diào)截點(diǎn)及增益；(IIP3)2和G2分別為第2級(jí)電路的三階互調(diào)截點(diǎn)及增益；(IIP3)n和Gn為第n級(jí)電路的三階截點(diǎn)及增益。

由公式可知，要改善接收通道三階互調(diào)截點(diǎn)，必須提高各級(jí)模塊的三階互調(diào)截點(diǎn)。當(dāng)各級(jí)模塊三階互調(diào)截點(diǎn)一定的情況下，還可以通過適當(dāng)改變各級(jí)的增益來提高接收通道的三階互調(diào)截點(diǎn)。

由于增益要求大于50 dB，考慮到混頻的變頻損耗10 dB、中頻聲表濾波器的插入損耗14 dB，同時(shí)要兼顧輸出三階截點(diǎn)的要求，選用HITTITE公司生產(chǎn)的HMC128混頻器芯片和安華高的中頻放大器芯片。第1級(jí)中頻放大器為ABA-31000，增益為18 dB，輸出三階截點(diǎn)為18 dBm；第2級(jí)中頻放大器為ABA-32000，增益為18 dB，輸出三階截點(diǎn)為28 dBm；末級(jí)放大器為ABA-62563，增益為18 dB，輸出三階截點(diǎn)為34 dBm。通過計(jì)算，結(jié)果見圖7，通道的增益為55 dB，輸出三階截點(diǎn)為33 dBm，滿足指標(biāo)要求。

2.4 腔體分析設(shè)計(jì)

為了避免外界環(huán)境對(duì)器件性能的影響，一般設(shè)計(jì)腔體來保護(hù)器件[6]。在射頻電路中，一個(gè)封閉的腔體管殼相當(dāng)于諧振腔。因此在設(shè)計(jì)腔體時(shí)，要避免腔體在放大器的工作頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生諧振導(dǎo)致放大器自激。如果一個(gè)腔體內(nèi)放大器的總增益超過40 dB，就會(huì)很容易引起放大器自激。若腔體的長、寬、高分別為l，a，b并滿足l>a>b時(shí)，可以得到諧振條件為：

(4)

式中：p為諧振波沿諧振腔縱向分布的半駐波數(shù)；λp0為諧振腔波長。

λp0與工作波長λ0的關(guān)系為：

(5)

(6)

式中：λc為截止波長；m,n=0,1,2…。

將式(4)和式(5)代入式(6)得：

(7)

給定腔體下的諧振頻率不止一個(gè)，而有無限多個(gè)。設(shè)計(jì)腔體管殼大小要使諧振腔的諧振頻率遠(yuǎn)離器件的工作頻率。本方案中管殼大小為28 mm×20 mm×4 mm，通過軟件仿真計(jì)算該管殼諧振頻率為9.2 GHz左右，見圖8。本文中選擇的放大器在該頻率點(diǎn)的總增益已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于40 dB，所以這個(gè)接收通道輸出端口不會(huì)因?yàn)橹C振而自激。

圖8 管殼諧振仿真圖

3 測試結(jié)果與分析

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、噪聲系數(shù)分析儀等設(shè)備對(duì)多套模塊進(jìn)行測試，全溫環(huán)境下其測試結(jié)果如表2所示。

表2 測試結(jié)果

由于在電路中加載了溫補(bǔ)衰減器，可使增益值在高低溫環(huán)境中保持在53～55 dB之間。噪聲系數(shù)2.8 dB與理論計(jì)算2.5 dB有區(qū)別，經(jīng)分析由于該模塊所用的管殼為表貼元器件，表貼元器件管腿應(yīng)

用在高頻率頻段時(shí)，插入損耗會(huì)更大，所以造成了該模塊噪聲系數(shù)變大。接收通道實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 接收通道實(shí)物圖

4 結(jié)束語

該模塊設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足用戶指標(biāo)要求，利用MMIC和微組裝技術(shù)大大減小接收通道的體積，降低雷達(dá)體積、重量，提高整機(jī)性能、質(zhì)量和可靠性。隨著單片集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，高密度、高可靠的微電子技術(shù)更能滿足現(xiàn)代化雷達(dá)的要求。

[1] 李建森.具有通用性的小型化接收前端設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[2] 陳興國.新型的輕小型化雷達(dá)接收機(jī)的研制[J].電子應(yīng)用技術(shù)，2005(5)：57-59.

[3] 蒲蔚妮.L波段收發(fā)組件接收通道的設(shè)計(jì)分析[J].電子技術(shù)與軟件工程(55)：53-55.

[4] 梁博.一種接收超寬射頻信號(hào)的方法研究與仿真分析[J].艦船電子對(duì)抗，2016，39(2)：41-45.

[5] 黃佳.S波段射頻收發(fā)前端的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[6] 汪婷.S波段低噪聲放大器研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2013.