劉玲玲何 川王自力王生旺張廣場(chǎng)陸勤龍

(1.中國電子科技集團(tuán)公司超導(dǎo)電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230043；2.中國電子科技集團(tuán)第十六研究所,安徽 合肥 230043)

隨著我國天文觀測(cè)在太陽物理學(xué)、脈沖星體等工程應(yīng)用中的需求不斷增加,寬帶低噪聲接收系統(tǒng)[1-2]逐漸在應(yīng)用中成為主流設(shè)備。超寬帶接收機(jī)能夠快速有效地識(shí)別射電源等目標(biāo)發(fā)出的微弱信號(hào)。接收系統(tǒng)首先將主、副反射面匯聚來的探測(cè)器或射電源信號(hào)進(jìn)行極低噪聲放大、濾波、變頻以及增益控制等處理,并通過變頻通道把射頻信號(hào)變?yōu)橹蓄l信號(hào)后送入數(shù)據(jù)終端,做后續(xù)處理,因此變頻組件在整個(gè)接收系統(tǒng)中是核心模塊。變頻通道的工作頻率覆蓋幾百M(fèi)Hz 到14 GHz,工作帶寬達(dá)到GHz 量級(jí),同時(shí)具有高隔離度、高屏蔽性能。

常規(guī)的超寬帶下變頻組件[3-4]采用開關(guān)濾波器組,如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)寬頻下變頻方案

傳統(tǒng)寬帶變頻將射頻通道劃分成幾段,在混頻之前增加多組前置濾波器。這種方案體積占比高,控制電路復(fù)雜,對(duì)組件的電磁屏蔽和隔離度設(shè)計(jì)增加難度,從而給寬帶超低噪聲前端帶來干擾。本項(xiàng)目研究了一種組合的變頻方案[5],避免了開關(guān)濾波器組設(shè)計(jì)的弊端,采用先上變頻將寬帶信號(hào)搬移到窄帶K 波段,再下變頻到中頻。從方案設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和屏蔽設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面超寬帶下變頻組件的實(shí)現(xiàn)。

1 方案概述

根據(jù)射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)應(yīng)用要求,寬帶變頻組件采用直接變頻方案,實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)的快速傳輸接收,控制和通信邏輯簡(jiǎn)單,滿足觀測(cè)快捷需求。為了實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)鏡像抑制指標(biāo)[6-7],沒有采用體積大、控制邏輯復(fù)雜的開關(guān)濾波器組,而是設(shè)計(jì)先將寬帶信號(hào)上變頻,將頻率變到K 波段,本振設(shè)置為23 GHz～35 GHz,變頻后輸出頻率為20 GHz～21 GHz,再將20 GHz～21 GHz 下變頻到中頻,工作原理[8-9]如圖2 所示。

圖2 下變頻工作原理

該變頻組件主要包括微波變頻通道、中頻通道和電源單元。變頻單元采用二次變頻模式,變頻后通過濾波器抑制本振泄露信號(hào)及帶外的交調(diào)分量。系統(tǒng)包括2 通道,每個(gè)通道原理結(jié)構(gòu)一樣。本組件將輸入信號(hào)進(jìn)行兩次變頻,得到最終的中頻信號(hào)輸出。為降低系統(tǒng)噪聲系數(shù),提高其小信號(hào)檢測(cè)能力(靈敏度指標(biāo)),提高鏡像抑制能力,在混頻之前加一級(jí)帶通濾波器。最后中頻輸出提供開關(guān)濾波器組工作方式,提供2 種頻帶的選擇。

1.1 變頻組件主要技術(shù)指標(biāo)

輸入輸出路數(shù):2 路,增益:≥30 dB；帶內(nèi)增益波動(dòng):≤±2 dB；通道隔離度:≥60 dB；輸出1 dB 壓縮點(diǎn):≥15 dBm；鏡頻抑制:≥20 dB(70 MHz～1 000 MHz)/≥70 dB(500 MHz～1 000 MHz)；噪聲系數(shù):≤6 dB。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)分析

噪聲系數(shù)和增益:系統(tǒng)的噪聲溫度主要取決于前端無源器件的插損和有源器件的噪聲和增益,在整個(gè)系統(tǒng)鏈路中插損L的計(jì)算公式:

增益表達(dá)式:

以上式中Po為輸出信號(hào)功率,Pi為輸入信號(hào)功率。

由以上公式計(jì)算出無源器件的增益:

級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)表達(dá)式為:

總增益為各部分增益的疊加:

根據(jù)圖2 方案,組件的噪聲系數(shù)計(jì)算結(jié)果為:NF＝4.3 dB,增益G＝38 dB,滿足設(shè)計(jì)要求。

鏡頻抑制:根據(jù)鏡頻、中頻以及本振的關(guān)系[10-11]可知,2 GHz～14 GHz 的鏡頻信號(hào),必然在帶內(nèi),直接變頻無法濾除。本方案的兩次變頻,每次變頻的帶寬輸出為窄帶,通過器件電路設(shè)計(jì)和鏡頻濾波器來實(shí)現(xiàn)鏡頻抑制。輸入頻率為寬帶信號(hào)上變頻將頻率變到Ka 波段,本振設(shè)置為23 GHz～34 GHz,1 變頻后輸出頻率為20 GHz～21 GHz。再與2 本振混頻,變頻至70 MHz～1 000 MHz。第一次變頻輸入信號(hào)與鏡頻信號(hào)的關(guān)系見表1。

表1 鏡頻頻率對(duì)應(yīng)表

可以看出離輸入信號(hào)最近的鏡像信號(hào)為44 GHz,因此通過截止頻率為16 GHz 低通濾波器,在44 GHz 抑制大于40 dB,再加上放大器電路設(shè)計(jì)在高頻的衰減特性,能夠?qū)崿F(xiàn)70 dB 的鏡頻抑制指標(biāo)。

二次變頻鏡頻頻率最近帶外140 MHz 處,設(shè)計(jì)高Q值的腔體濾波器可以實(shí)現(xiàn)。濾波器仿真如圖3所示。

圖3 鏡頻抑制濾波器性能圖

隔離度:組件兩個(gè)通道同時(shí)工作,通道隔離度要求高,隔離度的實(shí)現(xiàn)主要考慮信號(hào)空間輻射和電源線傳導(dǎo)等。針對(duì)空間輻射屏蔽,由于組件工作頻率高達(dá)35 GHz,波長(zhǎng)短,信號(hào)屏蔽難,為此我們?cè)O(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)時(shí),采用密封焊接,防止射頻信號(hào)泄露。在電源設(shè)計(jì)上,外加電源首先經(jīng)過高頻扼流電感和大容量陶瓷電容濾波后,再進(jìn)行二次穩(wěn)壓。穩(wěn)壓后再提供給各個(gè)單元電路使用。對(duì)有隔離要求的電路,其電源均嚴(yán)格獨(dú)立分開,避免引入串?dāng)_。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),這種設(shè)計(jì)隔離度可以做到70 dB 以上。

1.3 寬帶毫米波變頻通道設(shè)計(jì)

組件工作頻帶寬,同時(shí)兩次變頻,功能復(fù)雜,為了實(shí)現(xiàn)增益指標(biāo),會(huì)采用多級(jí)電路級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn),因此鏈路的增益波動(dòng)設(shè)計(jì)[12-13]是本組件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。首先對(duì)毫米波變頻通道寬帶電路仿真,保證寬帶信號(hào)能夠傳輸良好并且線性度好。然后增加寬帶信號(hào)增益均衡設(shè)計(jì),補(bǔ)償器件增益波動(dòng)帶來的影響。再次選擇合適器件及電路,保證寬帶信號(hào)變頻在射頻和中頻響應(yīng)平坦。最后是級(jí)聯(lián)電路的匹配設(shè)計(jì),減少電路因駐波失配引起的增益波動(dòng)。

電路利用單片、微帶線、波導(dǎo)等多種形式混合集成的方式,組合采用金絲互聯(lián)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸過渡。隨著頻率的升高,鍵合線對(duì)微波電路的影響越來越明顯,有時(shí)成為主要因素。決定鍵合線微波特性的主要參數(shù)有鍵合線長(zhǎng)度、幅度、間距和根數(shù)。本組件經(jīng)過仿真設(shè)計(jì),選擇三根金絲實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)傳輸,微帶線同時(shí)設(shè)計(jì)匹配。

根據(jù)圖4 金絲互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真圖5 表明設(shè)計(jì)的電路2 GHz～14 GHz 寬帶信號(hào)具有很好的回波損耗,傳輸特性良好。這可以避免寬帶信號(hào)傳輸過程中因金絲過渡產(chǎn)生的駐波失配,造成增益起伏惡化。

圖4 金絲鍵合傳輸電路結(jié)構(gòu)

圖5 金絲鍵合傳輸電路仿真結(jié)果

如前所述,產(chǎn)品工作頻率高,增益及隔離度指標(biāo)要求較大,在盒體內(nèi)部易形成信號(hào)串?dāng)_等,必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行分腔屏蔽盒設(shè)計(jì),下面具體介紹屏蔽盒的設(shè)計(jì)。

本產(chǎn)品采用微帶電路的形式實(shí)現(xiàn),微帶電路是一半開放的傳輸線,電路能量將通過微帶線向空中輻射,如果輸出信號(hào)反饋到輸入端,易形成信號(hào)串?dāng)_。屏蔽盒體的設(shè)計(jì)主要從避免其諧振頻率落在帶內(nèi)和高增益處,對(duì)信號(hào)傳輸為截止模式。同時(shí)對(duì)敏感器件采取局部保護(hù)措施,如圖6 所示,通過添加屏蔽罩或屏蔽盒體對(duì)敏感器件進(jìn)行二次信號(hào)保護(hù),可以對(duì)信號(hào)輻射的路徑進(jìn)行隔斷。

圖6 匹配過渡電路仿真模型

屏蔽盒的高度一般為第一層介質(zhì)厚度15～20 倍或以上,在屏蔽腔面積一定時(shí),要提高屏蔽腔的最低諧振頻率,需增加長(zhǎng)寬比,避免正方形的腔體。根據(jù)組件的工作頻率范圍,采用介質(zhì)板厚度為0.254 mm的5880 板材,設(shè)計(jì)寬度5 mm,高度3 mm 的屏蔽盒內(nèi)腔尺寸。

通道接口傳輸我們采用3.5 連接器,金屬導(dǎo)體直徑為0.3 mm,在高頻頻段連接器和微帶過渡我們通阻抗計(jì)算公式(6),計(jì)算匹配一段空氣腔體尺寸,εr空氣介電常數(shù),b為空氣腔直徑,a為金屬導(dǎo)體直徑。結(jié)合三維計(jì)算軟件,仿真腔體的諧振頻率,優(yōu)化空氣腔尺寸。通過公式計(jì)算和仿真,腔體的諧振頻率在40 GHz 以上,滿足我們使用要求?？諝馄ヅ涞膫鬏斕匦匀鐖D7 所示,電路的回波損耗可達(dá)到-25 dB,信號(hào)傳輸特性較好。

圖7 匹配過渡電路仿真結(jié)果

1.4 中頻通道設(shè)計(jì)

中頻通道設(shè)計(jì)主要考慮混頻器產(chǎn)生的交調(diào)、本振泄露的抑制,同時(shí)要滿足系統(tǒng)增益和輸出1 dB 壓縮點(diǎn)技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)前面的原理,中頻采用開關(guān)濾波器組-均衡-放大-衰減-放大的方案。由于兩次變頻本振頻率距離中頻輸出較遠(yuǎn),中頻的濾波電路主要濾除低頻電源干擾以及民用通信信號(hào)的抑制。設(shè)計(jì)采用LC 帶通濾波器實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)增益寬帶平坦,我們?cè)黾訑?shù)控衰減器來控制增益大小。在中頻我們?cè)O(shè)計(jì)具有駐波好、體積小的LC 集成化均衡器來補(bǔ)償帶內(nèi)增益器起伏,均衡器原理如圖8 所示,該形式均衡量靈活可調(diào),單級(jí)均衡量可達(dá)1 dB～3 dB。

圖8 可調(diào)均衡器原理圖

2 測(cè)試結(jié)果和分析

組件采用安捷倫噪聲系數(shù)分析儀N8975A 和噪聲源N4002A 測(cè)試下變頻噪聲系數(shù)。設(shè)置下變頻模式,頻率2 GHz～14 GHz,可變本振,輸出中頻500 MHz。通過改變輸入本振頻率,測(cè)試組件的噪聲系數(shù)。如圖9 所示,組件的噪聲系數(shù)最大為4.9 dB。

圖9 噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

平坦度測(cè)試組件采用安捷倫標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀8757D。通過改變輸入本振頻率,測(cè)試組件的中頻輸出增益和平坦度。如圖10 所示,組件在13 GHz～14 GHz 的輸出平坦度在±0.95 dB。

圖10 增益平坦度測(cè)試結(jié)果

從表2 可以看出,組件的指標(biāo)都優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo),尤其是接收機(jī)系統(tǒng)的隔離度測(cè)試為80 dB、平坦度±1.2 dB,使得組件的性能更加優(yōu)越。

表2 組件測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文討論了一款寬頻帶下變頻組件的研制過程,采用一種組合變頻方案,實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)直接變頻的鏡頻抑制指標(biāo)；采用金絲互聯(lián)補(bǔ)償、均衡以及級(jí)間匹配等高頻段增益補(bǔ)償技術(shù),實(shí)現(xiàn)組件較好的帶內(nèi)平坦度。產(chǎn)品具有高隔離度,平坦度好的特點(diǎn),滿足射電接收機(jī)的使用要求,在天文觀測(cè),測(cè)控領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值。