盧德森，戚瓏贏，張海霞

(1. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153;2. 91033部隊(duì)，山東 青島 266001)

0 引 言

信息偵測(cè)雷達(dá)對(duì)把握戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)至關(guān)重要。隨著戰(zhàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)信息偵測(cè)雷達(dá)提出更高的要求：偵測(cè)的頻域要比較寬；探測(cè)的距離要盡可能地遠(yuǎn)；小型化機(jī)動(dòng)性要好。超寬帶變頻組件將寬的頻域信號(hào)變換到較低的頻率進(jìn)行采樣處理，是信息偵測(cè)雷達(dá)的關(guān)鍵部件，其中變頻組件的虛假電平抑制度是關(guān)鍵指標(biāo)，而一中頻的規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)虛假電平抑制的關(guān)鍵步驟。

本文設(shè)計(jì)了一款1～16 GHz的超寬帶下變頻組件，通過(guò)合理的中頻規(guī)劃，在毫米波頻段進(jìn)行一次混頻,提高了虛假電平抑制度。通過(guò)多芯片組裝的方式，且由于毫米波頻段混頻，減少了一中頻的種類，全頻帶共用混頻器，實(shí)現(xiàn)了超寬帶變頻組件的小型化。

1 變頻電路設(shè)計(jì)

1.1 一中頻規(guī)劃

變頻組件的輸入射頻信號(hào)為1～16 GHz，下變頻到800 MHz，進(jìn)入后端處理。若采用一次變頻的方案將無(wú)法解決鏡頻和半中頻干擾的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)中采用超外差二次變頻的方案，一中頻的選擇尤為關(guān)鍵，它必須保證射頻通帶內(nèi)不會(huì)在一中頻帶寬內(nèi)產(chǎn)生雜散，即使有雜散也要保證雜散抑制須滿足50 dBc的指標(biāo)。

圖1為中頻規(guī)劃圖，橫坐標(biāo)為中頻頻率，縱坐標(biāo)為雜散抑制，灰色橫條為中頻帶寬內(nèi)的雜散。從圖中可以看出，須將1～16 GHz劃分為兩段分別進(jìn)行混頻。在1～12 GHz頻段內(nèi)，上變頻至中頻為27.75～29.75 GHz時(shí)為無(wú)雜散區(qū)域，遂選取上變頻到29 GHz；在12～16 GHz頻段內(nèi)(圖中可見(jiàn))，若變頻到27.75～29.75 GHz時(shí)雜散抑制僅為47 dBc左右，不滿足指標(biāo)要求，選取上變頻到20 GHz。此時(shí)雖然存在-3*RF+2*LO階雜散，但雜散抑制為57 dBc，滿足指標(biāo)要求。

1.2 變頻電路設(shè)計(jì)

變頻電路的原理框圖如圖2所示。變頻電路前端接開(kāi)關(guān)濾波器組進(jìn)行頻率預(yù)選，同時(shí)抑制掉干擾的雜散頻率，之后連接一個(gè)衰減器，降低混頻器的輸入口駐波，提高整個(gè)射頻通帶內(nèi)的平坦度。接著進(jìn)行一次上混頻，將高低兩個(gè)頻段分別搬移到不同的中頻分別進(jìn)行一中頻濾波，最后進(jìn)行二次混頻得到中頻800 MHz。選取寬帶混頻器，一次混頻和二次混頻兩個(gè)頻段可以共用混頻器，減少模塊的體積，提高集成度。

采用ADS進(jìn)行變頻電路的鏈路預(yù)算仿真，仿真結(jié)果如表1所示，得出變頻電路的增益為-11 dB，噪聲系數(shù)為17.6 dB。

圖2 變頻電路的原理框圖

表1 變頻電路鏈路計(jì)算結(jié)果

虛假電平抑制通過(guò)選取合適的一中頻，使得射頻頻率在一中頻的帶內(nèi)不產(chǎn)生雜散，或雜散滿足指標(biāo)要求。射頻頻帶外的雜散干擾可以通過(guò)開(kāi)關(guān)濾波器組進(jìn)行抑制，使得落在一中頻帶內(nèi)的雜散滿足指標(biāo)要求。二次混頻的雜散主要是半中頻和鏡頻干擾，主要通過(guò)一中頻濾波器來(lái)抑制。由于混頻器對(duì)鏡頻完全沒(méi)有抑制，鏡頻必須完全通過(guò)濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制。

表2為二次混頻帶外的干擾頻率及其抑制度，從表中可見(jiàn)半中頻干擾離一中頻通帶最近，須特別注意。要實(shí)現(xiàn)較高的虛假電平抑制度還需關(guān)注輻射干擾。本設(shè)計(jì)中采用各個(gè)屏蔽小腔體，將干擾頻率約束在各屏蔽腔中，使其只能通過(guò)傳輸線及濾波器傳輸，保證實(shí)物測(cè)試結(jié)果和雜散分析一致。

表2 二次混頻在二中頻帶內(nèi)產(chǎn)生的雜散及其抑制

2 毫米波互聯(lián)仿真

超寬帶變頻組件采用多芯片組裝來(lái)實(shí)現(xiàn)，而印制板接地和金絲鍵合是影響整體性能的關(guān)鍵因素。印制板的大面積釬焊，通過(guò)優(yōu)化焊料片的厚度，焊前預(yù)處理，采用先進(jìn)的焊劑清洗和真空再流焊技術(shù)，降低焊接的空洞率，提高印制板的接地性能。

金絲鍵合將芯片與微帶傳輸線互聯(lián)，需要對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低鍵合引起的不匹配導(dǎo)致的駐波變大，從而導(dǎo)致插損和帶內(nèi)起伏變大。 鍵合金絲相當(dāng)于在芯片和傳輸線之間引入一段電感，一般需要在鍵合區(qū)引入一段電容補(bǔ)償，當(dāng)用到毫米波頻段時(shí)還需做傳輸線階梯阻抗匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)低的駐波比。圖3為微帶階梯阻抗變換仿真。

圖3 微帶階梯阻抗變換仿真

圖4為鍵合補(bǔ)償加入階梯阻抗變換前后的S參數(shù)，實(shí)線為加入變換之前的S曲線，虛線為加入變換之后的S曲線。從仿真的結(jié)果可見(jiàn)，加入階梯阻抗后高頻段的反射系數(shù)明顯改善，頻帶內(nèi)所有點(diǎn)回波損耗都在-22 dB以下。

一般鍵合采用兩根金絲平行的方式，實(shí)現(xiàn)兩根金絲的總電感值，如式(1)所示。

圖4 加入階梯阻抗變換前后的S參數(shù)

(1)

式中，Le為單根金絲的有效電感值，Lm為兩根金絲的互感，距離越大互感越小，總電感值將會(huì)減小，而芯片的鍵合盤較小，兩根金絲的距離不可能拉得很大。本文采用兩根金絲不平行，在金絲長(zhǎng)度不加大的情況下岔開(kāi)的方式來(lái)減少電感值。圖5為兩種金絲鍵合方式的三維模型。圖6為兩種不同的金絲間距下的S參數(shù)，圖中實(shí)線為平行的方式仿真結(jié)果，虛線為岔開(kāi)方式的金絲仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可見(jiàn)，采用拉大間距的方式，回波損耗在-29 dB，相較于平行方式的回波損耗有較大改善。

圖5 金絲平行和間距加大仿真

圖6 不同的金絲間距下的S參數(shù)

為了得到足夠的抑制和減少插損，本設(shè)計(jì)中的濾波器都采用腔體濾波器，在頻率較低時(shí)腔體濾波器的絕緣子可以直接焊接在微帶傳輸線上。當(dāng)頻率較高，如本設(shè)計(jì)采用毫米波混頻、頻率到毫米波時(shí)，直接焊接在微帶上回波損耗將會(huì)變差。本設(shè)計(jì)采用濾波器絕緣子之后加空氣同軸過(guò)渡的方式，將很大程度地改善回波損耗。圖7為同軸微帶過(guò)渡在未加空氣同軸過(guò)渡和加入空氣同軸過(guò)渡的仿真模型。

圖7 同軸微帶過(guò)渡加入空氣同軸過(guò)渡仿真

圖8中為不同的同軸微帶過(guò)渡下的S參數(shù)。圖中，實(shí)線為未加空氣同軸過(guò)渡，虛線為加入空氣同軸過(guò)渡后的S參數(shù)。從仿真結(jié)果看，隨著頻率的增加回波損耗越來(lái)越差，在未加空氣同軸過(guò)渡的情況下頻帶內(nèi)的回波損耗在-16 dB以下，加入空氣同軸過(guò)渡之后整個(gè)頻帶內(nèi)的回波損耗在-25 dB以下，可見(jiàn)在加入空氣同軸過(guò)渡后頻帶內(nèi)的回波損耗得到較大程度的改善。

圖8 不同的同軸微帶過(guò)渡的S參數(shù)

3 測(cè)試結(jié)果

圖9為超寬帶變頻組件的實(shí)物圖，整個(gè)組件的體積為90 mm×70 mm×11 mm。對(duì)變頻組件進(jìn)行了增益測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10所示。

圖9 超寬帶變頻組件實(shí)物

圖10 射頻通帶內(nèi)的增益測(cè)試

在變頻組件前段接入開(kāi)關(guān)濾波器組測(cè)試虛假電平抑制，測(cè)試結(jié)果都在50 dBc以上，選取RF=15 GHz時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)列于表3中。

表3 RF=15 GHz時(shí)的虛假電平抑制

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種超寬帶變頻組件，通過(guò)合理的中頻規(guī)劃，在毫米波頻段進(jìn)行混頻，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)高的虛假抑制度，并且可以實(shí)現(xiàn)全頻段混頻器的共用，提高變頻組件的集成度。本文同時(shí)解決了毫米波頻段的互聯(lián)問(wèn)題，包括金絲微帶互聯(lián)和同軸微帶互聯(lián)，將互聯(lián)的回波損耗都控制在-25 dB以下。從測(cè)試結(jié)果看，變頻組件實(shí)現(xiàn)了小的帶內(nèi)波動(dòng)和高的虛假抑制度，滿足指標(biāo)需求，值得推廣應(yīng)用。