丁 萍 方南軍 胡善祥

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230031)

0 引言

目前， S波段雷達(dá)系統(tǒng)通常采用超外差接收機(jī)。其基本組成為接收機(jī)前端，中頻接收機(jī)以及頻率源三個(gè)部分。本文研究的范圍主要包括接收機(jī)前端以及中頻接收機(jī)射頻部分。

在數(shù)字雷達(dá)接收機(jī)中，由天線接收到的射頻回波信號(hào)經(jīng)預(yù)選濾波器濾波，后經(jīng)過限幅低噪聲放大器放大，開關(guān)濾波以及下變頻轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，后由A/D變換器對中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)數(shù)字正交鑒相輸出I(n)和Q(n)送至DSP進(jìn)行信號(hào)處理[1]。其中數(shù)字雷達(dá)接收機(jī)射頻前端部分直接決定A/D采樣的質(zhì)量，其尺寸重量對于整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的重量有比較大的影響。

本文中設(shè)計(jì)的16通道下變頻放大接收模塊，是將S波段的射頻回波信號(hào)混頻至430MHz的中頻信號(hào)。具有集成度高，噪聲系數(shù)低以及隔離度良好等特點(diǎn)。

1 技術(shù)指標(biāo)要求

由于該模塊作為16通道數(shù)字化接收機(jī)的模擬前端，將S波段的16路接收通道集中設(shè)計(jì)在一個(gè)基板上，相比設(shè)計(jì)相互獨(dú)立的模擬接收通道，可減小接收機(jī)的尺寸及重量，提高集成度。S波段的16通道射頻接收模塊工作主要指標(biāo)如下：

1)射頻頻率：S頻段(2.7GHz～3.5GHz)；

2)中頻頻率：430MHz；

3)接收增益：≥54dB；

4)接收噪聲系數(shù)：≤3.0dB；

5)接收通道隔離度：≥30dB；

6)輸出三階交調(diào)截點(diǎn)：≥30dBm；

7)通道耐功率：≥100W(脈寬500μs，占空比15%)。

1.1 接收增益及噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)

接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力通過接收靈敏度來表示，微弱信號(hào)總伴有噪聲出現(xiàn)，要檢測到微弱信號(hào)，信號(hào)的功率應(yīng)該大于接收靈敏度，即靈敏度(Simin)表示接收機(jī)最小可檢測到的信號(hào)功率。

系統(tǒng)靈敏度(Simin)計(jì)算公式為

Simin=-114+10lgBn+Nf

(1)

系統(tǒng)靈敏度(Simin)單位為dBm，Bn為中頻帶寬，單位為MHz，Nf為接收機(jī)的噪聲系數(shù)。

為提高系統(tǒng)靈敏度，即減小靈敏度(Simin)大小，就需要盡可能降低接收機(jī)總的噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)表示接收機(jī)通道內(nèi)部輸入輸出信噪比遞降的一種量度，若傳輸網(wǎng)絡(luò)中有噪聲，會(huì)使得輸出噪聲輸出功率放大幅度大于輸出信號(hào)的放大幅度，從而降低輸出信噪比，增加電路的噪聲系數(shù)。接收通道鏈路由濾波器、低噪聲放大器以及混頻器等器件級(jí)聯(lián)而成，所以系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)為接收通道級(jí)聯(lián)電路噪聲系數(shù)。

Nf計(jì)算公式為

(2)

系統(tǒng)要求通道總噪聲系數(shù)不超過3dB。對于中頻帶寬為5MHz的窄帶模式，帶入公式(1)可計(jì)算接收機(jī)靈敏度為

Simin=-114+10lg5+Nf=-107dBm

(3)

雷達(dá)系統(tǒng)中，在中頻帶寬5MHz的工作模式時(shí)，要求接收線性動(dòng)態(tài)范圍≥60dB，考慮ADC最大輸入電平為10dBm，由此可分配通道各級(jí)電路增益大小，接收通道鏈路增益分配如圖1所示。

圖1 接收通道鏈路增益分配圖

增益分配框圖中接收通道總增益為54dB，滿足系統(tǒng)接收動(dòng)態(tài)范圍對接收通道增益的要求。將各級(jí)電路增益及噪聲系數(shù)代入公式(2)可計(jì)算得到接收通道總的噪聲系數(shù)1.96dB，考慮微帶焊接及各級(jí)電路級(jí)聯(lián)損耗等，接收通道的總噪聲系數(shù)在2.2dB左右，優(yōu)于系統(tǒng)指標(biāo)要求。

1.2 接收通道三階交調(diào)截點(diǎn)分析

對于射頻電路，常用三階交調(diào)截點(diǎn)來衡量其線性程度。其定義為在非線性系統(tǒng)中，輸入頻率相近的雙音信號(hào)，輸出信號(hào)包含輸入雙音信號(hào)的任意自然數(shù)組合諧頻，其中一階線性輸出信號(hào)與三階非線性輸出信號(hào)在理想情況下的交點(diǎn)，此時(shí)的輸入信號(hào)功率被稱為輸入三階交調(diào)截點(diǎn)(IIP3)以及輸出信號(hào)功率被稱為輸出三階交調(diào)截點(diǎn)(OIP3)[2]。

對于由多級(jí)器件級(jí)聯(lián)組成的接收通道，每一級(jí)電路都存在一定程度的非線性失真。所以提高每一級(jí)電路的三階交調(diào)截點(diǎn)可提高接收通路的線性度。系統(tǒng)輸入三階交調(diào)截點(diǎn)的公式為

(4)

式(4)中Gn為第n級(jí)電路增益，(IIP3)n為第n級(jí)電路輸入三階交調(diào)截點(diǎn)。由公式(4)可得，最后一級(jí)電路的線性度對整個(gè)級(jí)聯(lián)電路的線性程度影響較大，同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)各級(jí)電路的增益來優(yōu)化接收通道的三階交調(diào)截點(diǎn)。

利用軟件計(jì)算接收通路的增益、噪聲系數(shù)以及三階交調(diào)截點(diǎn)如圖2所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，按照本文方案設(shè)計(jì)的接收通路，其輸出三階交調(diào)截點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 增益、噪聲系數(shù)及三階交調(diào)

1.3 S波段16通道接收模塊設(shè)計(jì)分析

本文在接收通道方案設(shè)計(jì)中選擇一級(jí)混頻，相對于二級(jí)混頻設(shè)計(jì)，一級(jí)混頻方案最大的優(yōu)勢是降低了電路的復(fù)雜程度，以此減小電路尺寸，因此一級(jí)混頻方案可用于微型接收機(jī)設(shè)計(jì)。且一級(jí)混頻后中頻頻率較高，提高AD采樣率。

本文設(shè)計(jì)的工作在S波段的16通道射頻接收模塊，其中包括陶瓷預(yù)選濾波器、平衡限幅低噪聲放大器、小型化四選一開關(guān)濾波器、驅(qū)動(dòng)芯片、電源穩(wěn)壓器、集成0°四功分器以及混頻放大SIP等器件。其中混頻放大SIP采用多層高溫共燒陶瓷埋線工藝，金屬化陶瓷外殼與植球陣列(BGA)封裝，內(nèi)部集成了4路S波段變頻放大通道。

該射頻接收模塊組成功能原理框圖見圖3所示。原理框圖中，每一路射頻信號(hào)通過預(yù)選濾波器濾波后經(jīng)低噪聲放大器放大信號(hào)，再由開關(guān)濾波器濾除信道雜散信號(hào)等，然后經(jīng)混頻SIP進(jìn)行下變頻放大輸出中頻信號(hào)。

圖3 S波段16通道射頻接收功能原理框圖

本文中設(shè)計(jì)的接收模塊，回波信號(hào)首先通過預(yù)選濾波器進(jìn)行濾波，該濾波器中心頻率為3100MHz，帶寬為800MHz，帶內(nèi)插損小于0.5dB。在阻帶頻段范圍內(nèi)100MHz～2100MHz、4200MHz～5200MHz抑制大于30dBc。

根據(jù)噪聲系數(shù)計(jì)算公式，級(jí)聯(lián)電路中前兩級(jí)電路對于總噪聲系數(shù)影響最大。由于陣面存在電磁反射以及其他反射，必須要求低噪聲放大器必須具有一定的抗燒毀能力。由于該模塊組成數(shù)字化接收機(jī)，對其耐功率要求主要是來自收發(fā)天線的電磁耦合，按照雷達(dá)陣面的排布計(jì)算，耦合功率比收發(fā)通道低20dB，在該接收模塊涉及的雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)射通道峰值功率高于400W，考慮其同步、異步反射[3]，要求收發(fā)通道的耐功率大于1000W，所以對于純接收模塊，耐功率高于100W可完全滿足工程需求。

該接收模塊通路中的低噪聲放大器采用小型化平衡限幅低噪聲放大器，具有較高的抗燒毀能力，實(shí)現(xiàn)方式為半有源方式，這款低噪放增益穩(wěn)定、起伏小，噪聲系數(shù)低，而且其封裝尺寸較小，僅為7mm×7mm×4mm。低噪聲放大器主要指標(biāo)如下：

1)頻率范圍f1L-H：(2.7～3.5)GHz；

2)增益Gp：(30±1)dB；

3)增益平坦度△Gp：≤1.0dB；

4)駐波比VSWR：≤1.6；

5)噪聲系數(shù)Fn：≤1.4dB；

6)增益壓縮1dB輸出功率P-1：≥10dBm；

7)耐功率：峰值100W(脈寬500μs，占空比15%)。

射頻小信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器放大后通過開關(guān)濾波器濾波，在此設(shè)計(jì)中開關(guān)濾波器為四路開關(guān)選頻濾波器，通過控制碼實(shí)現(xiàn)不同頻率的分時(shí)輸出。工作帶寬800MHz被平均分成四段，設(shè)定每200MHz為一個(gè)通帶帶寬，通帶中心插損小于5dB，帶外抑制大于40dBc。由于中頻信號(hào)為430MHz，帶寬為100MHz，按照200MHz劃分頻譜可同時(shí)兼顧收發(fā)通道以及接收通道的統(tǒng)一，有效抑制發(fā)射支路本振信號(hào)以及混頻鏡像信號(hào)等雜散信號(hào)。而對于本文中設(shè)計(jì)的純接收模塊，按此頻譜劃分主要抑制空間鏡像信號(hào)干擾以及被低噪放放大的其他雜散信號(hào)。

濾波后的射頻信號(hào)經(jīng)混頻放大SIP下變頻后輸出中頻信號(hào)，其中混頻放大SIP組成功能原理框圖見圖4所示。

圖4 混頻放大SIP原理框圖

該混頻放大SIP內(nèi)部通過金屬屏蔽隔腔[4]集成4路S波段混頻放大通道，并且在上下變頻支路中均有級(jí)聯(lián)可編程增益放大器，因此可通過控制電平控制混頻放大SIP增益的高低。除主要的上下變頻放大通路外，混頻放大SIP內(nèi)部還集成本振放大功分電路以及低壓差線性穩(wěn)壓器，組成完整的信號(hào)通路。

為了實(shí)現(xiàn)模塊小型化設(shè)計(jì)，該混頻放大SIP采用基于多層高溫共燒陶瓷埋線工藝[5]設(shè)計(jì)的金屬化陶瓷外殼封裝以及植球陣列(BGA)引腳形式?；祛l放大SIP尺寸為25mm×20mm×4.5mm。實(shí)物如圖5所示。

圖5 混頻放大SIP實(shí)物圖

這款混頻放大SIP尺寸小，集成度高，同時(shí)可大大降低整個(gè)接收模塊本振功分網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，本文中的接收模塊中只用到其下變頻放大功能。整個(gè)電路共包含4塊混頻放大SIP，所以本振信號(hào)僅通過一片一分四的集成0°四功分器，就可以為整個(gè)16通道接收模塊提供本振信號(hào)。

本文中設(shè)計(jì)的S波段16通道接收模塊，控制信號(hào)可通過74系列邏輯驅(qū)動(dòng)芯片，獨(dú)立控制各個(gè)通道的開關(guān)以及增益高低。該接收模塊中電源穩(wěn)壓器型號(hào)為ZHDC5S5R5/27.5W，是一款高集成度陶瓷封裝同步整流降壓轉(zhuǎn)換電源模塊，可在外部使能控制。在雷達(dá)整機(jī)工作過程中，可通過數(shù)字板加載控制信號(hào)實(shí)時(shí)切換電源的開斷，節(jié)約功耗，提高效率。

2 研制結(jié)果

該模塊復(fù)合射頻基板選用的是國產(chǎn)板材睿龍科技RS300T，介電常數(shù)2.94，一致性良好，材料性能穩(wěn)定?；祛l放大SIP分布在基板背面，裝配后緊貼組件殼體保證芯片工作過程中良好散熱。S波段16通道接收模塊研制實(shí)物如圖6所示。

圖6 S波段16通道接收模塊實(shí)物

測試過程中采用頻譜分析儀，噪聲系數(shù)分析儀，信號(hào)源等儀表對該模塊在常溫下的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測試分析，主要測得各通道在工作頻段接收增益范圍為54dB～58dB，各通道在各頻點(diǎn)的噪聲系數(shù)在2.2dB～2.8dB之間，通道隔離度≥30dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

測試得到S波段的16通道下變頻放大模塊主要性能指標(biāo)如下：

1)通道噪聲系數(shù)：2.2dB～2.8dB；

2)通道接收增益：54dB～58dB；

3)通道隔離度：≥30dB；

4)通道接收信噪比：≥60dB；

5)通道間幅度變化一致性：≤0.3dB(RMS);

6)通道間相位變化一致性：≤2°(RMS)。

主要性能指標(biāo)測試結(jié)果如圖7至圖8所示。

圖7 通道噪聲系數(shù)

圖8 通道增益

將S波段16通道接收電路組裝進(jìn)數(shù)字化接收機(jī)中，通過數(shù)字板對中頻信號(hào)采樣分析計(jì)算，得到各通道5MHz窄帶模式接收信噪比均大于62dB，如圖9所示。

圖9 通道接收信噪比

3 結(jié)束語

本文中設(shè)計(jì)的S波段16通道接收模塊，具有集成度高，通道增益高，噪聲系數(shù)低，各通道之間隔離度良好，性能穩(wěn)定，16路接收通道各指標(biāo)一致性高等特點(diǎn)，其研制結(jié)果滿足雷達(dá)系統(tǒng)使用需求。