王洪李,荊曉超

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,江蘇 南京 211153)

0 引言

超寬帶變頻組件主要應(yīng)用于電子對抗領(lǐng)域和雷達(dá)的被動接收系統(tǒng)中[1],主要作用是將系統(tǒng)探測到的信號下變頻到中頻信號,再由后面的數(shù)字部分進(jìn)行處理。為了有效探測信息,需要變頻組件跨多倍頻程工作,同時具有大瞬時中頻帶寬和高虛假電平抑制水平。

虛假電平抑制水平是變頻組件的核心技術(shù)指標(biāo),過去主要對二次變頻方案中的第一次變頻產(chǎn)生的交調(diào)是否落在一中頻帶內(nèi)和二次變頻產(chǎn)生的交調(diào)是否落在二中頻帶內(nèi)進(jìn)行粗略計算[2-4],難以通用化,在成本和虛假抑制水平需要兼顧時,沒有相應(yīng)的設(shè)計原則。

本文介紹了一種二次變頻方案,從目標(biāo)信號和非目標(biāo)信號與本振的交調(diào)2個角度對變頻組件的虛假抑制特性做了詳細(xì)的分析,給出了二次變頻方案的設(shè)計原則,降低了變頻組件的設(shè)計難度,提高了設(shè)計效率。實測結(jié)果驗證了研究的準(zhǔn)確性和有效性。

1 二次變頻方案的虛假抑制

1.1 二次變頻方案

一種工作頻率覆蓋0.38～18 GHz的超寬帶變頻組件二次變頻方案原理如圖1所示。

圖1 二次變頻方案原理

探測信號經(jīng)第一混頻器上變頻到一中頻,一中頻濾波器中心頻率為F1,經(jīng)一中頻濾波器濾波后,再經(jīng)第二混頻器下變頻到二中頻,二中頻最大瞬時帶寬為BW1和BW2(BW1

超寬帶變頻組件的核心技術(shù)指標(biāo)是虛假電平抑制。虛假信號是指在一本振掃描的過程中,在中頻帶內(nèi)出現(xiàn)了一個或若干個信號,但這個信號不是與此刻一本振對應(yīng)的目標(biāo)信號產(chǎn)生的。那么,中頻帶內(nèi)的這個或若干個信號就稱為虛假信號。

為了提高變頻組件的虛假抑制,首先要分析虛假信號產(chǎn)生的原因,然后針對性地解決問題。文章從目標(biāo)信號產(chǎn)生的虛假和非目標(biāo)信號產(chǎn)生的虛假2個方面對變頻組件的虛假信號產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

1.2 目標(biāo)信號產(chǎn)生的虛假

目標(biāo)信號產(chǎn)生的虛假是指進(jìn)入變頻組件的信號與相應(yīng)的一本振信號(包括一本振基波)和二本振信號(包括二本振基波)的交調(diào)落在中頻帶內(nèi)產(chǎn)生的虛假。目標(biāo)信號產(chǎn)生的虛假存在如表1所示的幾種情況。其中,RF為0.38～18 GHz,L01為RF+F1,L02為L01-IF2,二中頻為IF2。

表1 目標(biāo)信號與本振信號產(chǎn)生的虛假

RF信號與一本振的基波和二本振信號產(chǎn)生的交調(diào)落在二中頻帶內(nèi)。為此,需要提高對本振基波信號的抑制,無源倍頻器對基波的抑制大于30 dBc,三次諧波的抑制大于40 dBc,有源倍頻器對基波和三次諧波的抑制在10～20 dBc左右,雖然有源倍頻器可以簡化本振鏈路,但無源倍頻器對基波和三次諧波的抑制更高,可以減小對倍頻器后濾波器的帶外抑制要求,在對基波、三次諧波抑制要求比較高的情況下,可以采用開關(guān)濾波器組芯片對倍頻后的本振信號進(jìn)行分段濾波。

RF信號的二倍頻、三倍頻信號落在二中頻帶內(nèi)。一般情況下,RF經(jīng)第一混頻器的隔離,一中頻濾波器的抑制,泄露到第二混頻器的信號功率比較小,但在一本振以較大的信號功率與RF信號同時泄露到第二混頻器時,第二混頻器會產(chǎn)生RF的二倍頻和三倍頻信號,因而造成虛假。當(dāng)RF為0.38～2 GHz時,L01為F1+RF,如果采用BW2帶寬的一中頻濾波器,那么部分一本振信號將以較大功率泄露到第二混頻器處。因此,當(dāng)RF為0.38～2 GHz時,一中頻應(yīng)采用BW1帶寬的濾波器,這樣可以對一本振信號產(chǎn)生足夠的抑制。

當(dāng)RF信號功率為0 dBm時,在變頻組件的IF端口測得的虛假信號功率如表2所示。

表2 目標(biāo)信號與本振信號產(chǎn)生的虛假

RF信號與一本振的交調(diào)落在一中頻帶內(nèi)BW2產(chǎn)生虛假,由于一中頻濾波器前后可能存在一中頻放大器,其工作頻率覆蓋BW2。因而,RF信號與一本振信號的交調(diào)如果落在一中頻放大器的工作帶內(nèi),一中頻濾波器對該交調(diào)信號的抑制作用將會減弱。RF信號為F1/2時,第一混頻器產(chǎn)生的二次諧波落在一中頻帶內(nèi)產(chǎn)生虛假,解決方法是增加一個中心頻率為F2、帶寬BW2的一中頻濾波支路進(jìn)行切換。

1.3 非目標(biāo)信號產(chǎn)生的虛假

非目標(biāo)信號產(chǎn)生的虛假是指進(jìn)入變頻組件的信號與非相應(yīng)的一本振信號(包括一本振基波)和二本振信號(包括二本振基波)的交調(diào)落在中頻帶內(nèi)產(chǎn)生的虛假。非目標(biāo)信號產(chǎn)生的虛假存在如表3所示的幾種情況。

表3 非目標(biāo)信號與本振信號產(chǎn)生的虛假

RF為0.33 GHz時,與一本振22.56 GHz的三階交調(diào)落在一中頻帶內(nèi)產(chǎn)生虛假,為此,需要選擇三階交調(diào)抑制盡量高一點的第一混頻器,同時要求預(yù)選濾波器對0.33 GHz的帶外抑制要盡可能的高一些。以0.38～0.66 GHz的分段濾波器為例,一般要求,DC～0.33和0.76～18 GHz的帶外抑制大于40 dBc,由于第一混頻器存在一定的三階交調(diào)抑制,一般大于40 dBc。因此,對濾波器的帶外抑制要求大于20 dBc也可以滿足變頻組件虛假抑制大于45 dBc的指標(biāo)要求。當(dāng)然,由于濾波器存在寄生通道,所以需要級聯(lián)低通濾波器以共同實現(xiàn)對0.76～18 GHz的帶外抑制要求。

RF為1.13 GHz和8 GHz時,RF與一本振基波的交調(diào)信號落在一中頻帶內(nèi)產(chǎn)生虛假,需要提高變頻組件對一本振基波信號的抑制水平。

L01信號為36.3～37.3 GHz時,其與L02的三階交調(diào)信號落在中頻帶內(nèi)產(chǎn)生虛假,需要提高一中頻濾波器對一本振信號的抑制和第二混頻器的三階交調(diào)抑制,也可以將L02信號切換為IF2+F1的高本振。

對于非目標(biāo)信號產(chǎn)生的虛假分析,可以使用ADS軟件輔助計算,如圖2所示,理論上要計算L01為任一頻點時,與非目標(biāo)的RF信號的交調(diào)信號是否落在中頻帶內(nèi),實際上,可以在預(yù)選濾波器和對本振基波的足夠抑制條件下,對交調(diào)抑制計算做大幅簡化。

圖2 ADS交調(diào)信號仿真電路

非目標(biāo)信號產(chǎn)生的虛假還存在一種情況,由于預(yù)選濾波器的插入損耗比較大,為了補償增益,往往在最后輸出一級放置放大器。放大器產(chǎn)生的二次諧波也會造成虛假。變頻組件前級的開關(guān)濾波器組的二次諧波抑制實測結(jié)果如表4所示。RF信號功率為0 dBm,在RF為F1/2時,二次諧波抑制為26.5 dBc。

表4 開關(guān)濾波器組的二次諧波抑制

2 測試結(jié)果

測試時,RF頻率范圍為0.38～18 GHz,輸入功率為-10 dBm,與開關(guān)濾波器組級聯(lián)測試。

超寬帶變頻組件的部分虛假抑制測試結(jié)果如表5所示。

表5 超寬帶變頻組件虛假抑制測試

開關(guān)濾波器組模塊在使用開關(guān)濾波器組芯片時,由于無法分段級聯(lián)低通濾波器,在切換到2～3.5 GHz時,開關(guān)濾波器組芯片在16 GHz處的抑制只有20 dBc左右,對應(yīng)表5中的RF為15 GHz時,產(chǎn)生的虛假信號為2.15 GHz,抑制為47.6 dBc。

在變頻組件的IF端口測得的一本振泄露功率如表6所示,到達(dá)第一混頻器本振端口處的L01信號功率為13 dBm,表6中的第2列是在一中頻濾波器工作帶寬為BW2下測得的,第3列是在一中頻濾波器工作帶寬為BW1下測得的。

表6 變頻組件中頻IF輸出口本振泄露測試

根據(jù)對超寬帶變頻組件的測試和分析,可以得到如下設(shè)計原則。

(1)在不考慮半中頻(F1/2)造成的虛假時,在開關(guān)濾波器組中,0.38～2 GHz分段濾波器使用LC濾波器,2～18 GHz分段濾波器使用開關(guān)濾波器組芯片可以滿足變頻組件虛假抑制大于45 dBc的指標(biāo)要求。

(2)本振放大鏈路上,采用無源倍頻器和帶通濾波器的組合形式,變頻組件的虛假抑制可以滿足大于45 dBc的指標(biāo)要求。

(3)一中頻鏈路上,一中頻濾波器采用腔體濾波器形式,且同時具有BW1/BW2兩種帶寬時,變頻組件的虛假抑制可以滿足大于45 dBc的指標(biāo)要求。

(4)在考慮半中頻(F1/2)造成的虛假時,需要增加一種中心頻率如F2的一中頻濾波器。

(5)在變頻組件的虛假抑制要求大于50 dBc時,需要對本振信號分段濾波,同時使進(jìn)入第一混頻器的信號功率控制在-10 dBm以下。

3 結(jié)語

本文以二次變頻超寬帶變頻方案為基礎(chǔ),對產(chǎn)生虛假的可能性做了全面的分析,最后通過實測進(jìn)行了驗證,在此基礎(chǔ)上,對變頻組件虛假抑制指標(biāo)與如何改進(jìn)二次變頻方案作了原則性說明,可以提高超寬帶變頻組件的設(shè)計效率,降低快速評估虛假抑制特性的難度。