S波段宽带16通道射频接收模块设计

丁 萍 方南军 胡善祥

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230031)

0 引言

目前， S波段雷达系统通常采用超外差接收机。其基本组成为接收机前端，中频接收机以及频率源三个部分。本文研究的范围主要包括接收机前端以及中频接收机射频部分。

在数字雷达接收机中，由天线接收到的射频回波信号经预选滤波器滤波，后经过限幅低噪声放大器放大，开关滤波以及下变频转换为中频信号，后由A/D变换器对中频信号进行采样，经数字正交鉴相输出I(n)和Q(n)送至DSP进行信号处理[1]。其中数字雷达接收机射频前端部分直接决定A/D采样的质量，其尺寸重量对于整个雷达系统的重量有比较大的影响。

本文中设计的16通道下变频放大接收模块，是将S波段的射频回波信号混频至430MHz的中频信号。具有集成度高，噪声系数低以及隔离度良好等特点。

1 技术指标要求

由于该模块作为16通道数字化接收机的模拟前端，将S波段的16路接收通道集中设计在一个基板上，相比设计相互独立的模拟接收通道，可减小接收机的尺寸及重量，提高集成度。S波段的16通道射频接收模块工作主要指标如下：

1)射频频率：S频段(2.7GHz～3.5GHz)；

2)中频频率：430MHz；

3)接收增益：≥54dB；

4)接收噪声系数：≤3.0dB；

5)接收通道隔离度：≥30dB；

6)输出三阶交调截点：≥30dBm；

7)通道耐功率：≥100W(脉宽500μs，占空比15%)。

1.1 接收增益及噪声系数设计

接收机接收微弱信号的能力通过接收灵敏度来表示，微弱信号总伴有噪声出现，要检测到微弱信号，信号的功率应该大于接收灵敏度，即灵敏度(Simin)表示接收机最小可检测到的信号功率。

系统灵敏度(Simin)计算公式为

Simin=-114+10lgBn+Nf

(1)

系统灵敏度(Simin)单位为dBm，Bn为中频带宽，单位为MHz，Nf为接收机的噪声系数。

为提高系统灵敏度，即减小灵敏度(Simin)大小，就需要尽可能降低接收机总的噪声系数。噪声系数表示接收机通道内部输入输出信噪比递降的一种量度，若传输网络中有噪声，会使得输出噪声输出功率放大幅度大于输出信号的放大幅度，从而降低输出信噪比，增加电路的噪声系数。接收通道链路由滤波器、低噪声放大器以及混频器等器件级联而成，所以系统的总噪声系数为接收通道级联电路噪声系数。

Nf计算公式为

(2)

系统要求通道总噪声系数不超过3dB。对于中频带宽为5MHz的窄带模式，带入公式(1)可计算接收机灵敏度为

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

(3)

雷达系统中，在中频带宽5MHz的工作模式时，要求接收线性动态范围≥60dB，考虑ADC最大输入电平为10dBm，由此可分配通道各级电路增益大小，接收通道链路增益分配如图1所示。

图1 接收通道链路增益分配图

增益分配框图中接收通道总增益为54dB，满足系统接收动态范围对接收通道增益的要求。将各级电路增益及噪声系数代入公式(2)可计算得到接收通道总的噪声系数1.96dB，考虑微带焊接及各级电路级联损耗等，接收通道的总噪声系数在2.2dB左右，优于系统指标要求。

1.2 接收通道三阶交调截点分析

对于射频电路，常用三阶交调截点来衡量其线性程度。其定义为在非线性系统中，输入频率相近的双音信号，输出信号包含输入双音信号的任意自然数组合谐频，其中一阶线性输出信号与三阶非线性输出信号在理想情况下的交点，此时的输入信号功率被称为输入三阶交调截点(IIP3)以及输出信号功率被称为输出三阶交调截点(OIP3)[2]。

对于由多级器件级联组成的接收通道，每一级电路都存在一定程度的非线性失真。所以提高每一级电路的三阶交调截点可提高接收通路的线性度。系统输入三阶交调截点的公式为

(4)

式(4)中Gn为第n级电路增益，(IIP3)n为第n级电路输入三阶交调截点。由公式(4)可得，最后一级电路的线性度对整个级联电路的线性程度影响较大，同时可以通过调节各级电路的增益来优化接收通道的三阶交调截点。

利用软件计算接收通路的增益、噪声系数以及三阶交调截点如图2所示。由计算结果可以看出，按照本文方案设计的接收通路，其输出三阶交调截点满足设计要求。

图2 增益、噪声系数及三阶交调

1.3 S波段16通道接收模块设计分析

本文在接收通道方案设计中选择一级混频，相对于二级混频设计，一级混频方案最大的优势是降低了电路的复杂程度，以此减小电路尺寸，因此一级混频方案可用于微型接收机设计。且一级混频后中频频率较高，提高AD采样率。

本文设计的工作在S波段的16通道射频接收模块，其中包括陶瓷预选滤波器、平衡限幅低噪声放大器、小型化四选一开关滤波器、驱动芯片、电源稳压器、集成0°四功分器以及混频放大SIP等器件。其中混频放大SIP采用多层高温共烧陶瓷埋线工艺，金属化陶瓷外壳与植球阵列(BGA)封装，内部集成了4路S波段变频放大通道。

该射频接收模块组成功能原理框图见图3所示。原理框图中，每一路射频信号通过预选滤波器滤波后经低噪声放大器放大信号，再由开关滤波器滤除信道杂散信号等，然后经混频SIP进行下变频放大输出中频信号。

图3 S波段16通道射频接收功能原理框图

本文中设计的接收模块，回波信号首先通过预选滤波器进行滤波，该滤波器中心频率为3100MHz，带宽为800MHz，带内插损小于0.5dB。在阻带频段范围内100MHz～2100MHz、4200MHz～5200MHz抑制大于30dBc。

根据噪声系数计算公式，级联电路中前两级电路对于总噪声系数影响最大。由于阵面存在电磁反射以及其他反射，必须要求低噪声放大器必须具有一定的抗烧毁能力。由于该模块组成数字化接收机，对其耐功率要求主要是来自收发天线的电磁耦合，按照雷达阵面的排布计算，耦合功率比收发通道低20dB，在该接收模块涉及的雷达系统中，发射通道峰值功率高于400W，考虑其同步、异步反射[3]，要求收发通道的耐功率大于1000W，所以对于纯接收模块，耐功率高于100W可完全满足工程需求。

该接收模块通路中的低噪声放大器采用小型化平衡限幅低噪声放大器，具有较高的抗烧毁能力，实现方式为半有源方式，这款低噪放增益稳定、起伏小，噪声系数低，而且其封装尺寸较小，仅为7mm×7mm×4mm。低噪声放大器主要指标如下：

1)频率范围f1L-H：(2.7～3.5)GHz；

2)增益Gp：(30±1)dB；

3)增益平坦度△Gp：≤1.0dB；

4)驻波比VSWR：≤1.6；

5)噪声系数Fn：≤1.4dB；

6)增益压缩1dB输出功率P-1：≥10dBm；

7)耐功率：峰值100W(脉宽500μs，占空比15%)。

射频小信号经低噪声放大器放大后通过开关滤波器滤波，在此设计中开关滤波器为四路开关选频滤波器，通过控制码实现不同频率的分时输出。工作带宽800MHz被平均分成四段，设定每200MHz为一个通带带宽，通带中心插损小于5dB，带外抑制大于40dBc。由于中频信号为430MHz，带宽为100MHz，按照200MHz划分频谱可同时兼顾收发通道以及接收通道的统一，有效抑制发射支路本振信号以及混频镜像信号等杂散信号。而对于本文中设计的纯接收模块，按此频谱划分主要抑制空间镜像信号干扰以及被低噪放放大的其他杂散信号。

滤波后的射频信号经混频放大SIP下变频后输出中频信号，其中混频放大SIP组成功能原理框图见图4所示。

图4 混频放大SIP原理框图

该混频放大SIP内部通过金属屏蔽隔腔[4]集成4路S波段混频放大通道，并且在上下变频支路中均有级联可编程增益放大器，因此可通过控制电平控制混频放大SIP增益的高低。除主要的上下变频放大通路外，混频放大SIP内部还集成本振放大功分电路以及低压差线性稳压器，组成完整的信号通路。

为了实现模块小型化设计，该混频放大SIP采用基于多层高温共烧陶瓷埋线工艺[5]设计的金属化陶瓷外壳封装以及植球阵列(BGA)引脚形式。混频放大SIP尺寸为25mm×20mm×4.5mm。实物如图5所示。

图5 混频放大SIP实物图

这款混频放大SIP尺寸小，集成度高，同时可大大降低整个接收模块本振功分网络的复杂度，本文中的接收模块中只用到其下变频放大功能。整个电路共包含4块混频放大SIP，所以本振信号仅通过一片一分四的集成0°四功分器，就可以为整个16通道接收模块提供本振信号。

本文中设计的S波段16通道接收模块，控制信号可通过74系列逻辑驱动芯片，独立控制各个通道的开关以及增益高低。该接收模块中电源稳压器型号为ZHDC5S5R5/27.5W，是一款高集成度陶瓷封装同步整流降压转换电源模块，可在外部使能控制。在雷达整机工作过程中，可通过数字板加载控制信号实时切换电源的开断，节约功耗，提高效率。

2 研制结果

该模块复合射频基板选用的是国产板材睿龙科技RS300T，介电常数2.94，一致性良好，材料性能稳定。混频放大SIP分布在基板背面，装配后紧贴组件壳体保证芯片工作过程中良好散热。S波段16通道接收模块研制实物如图6所示。

图6 S波段16通道接收模块实物

测试过程中采用频谱分析仪，噪声系数分析仪，信号源等仪表对该模块在常温下的各项指标进行测试分析，主要测得各通道在工作频段接收增益范围为54dB～58dB，各通道在各频点的噪声系数在2.2dB～2.8dB之间，通道隔离度≥30dB，满足设计指标要求。

测试得到S波段的16通道下变频放大模块主要性能指标如下：

1)通道噪声系数：2.2dB～2.8dB；

2)通道接收增益：54dB～58dB；

3)通道隔离度：≥30dB；

4)通道接收信噪比：≥60dB；

5)通道间幅度变化一致性：≤0.3dB(RMS);

6)通道间相位变化一致性：≤2°(RMS)。

主要性能指标测试结果如图7至图8所示。

图7 通道噪声系数

图8 通道增益

将S波段16通道接收电路组装进数字化接收机中，通过数字板对中频信号采样分析计算，得到各通道5MHz窄带模式接收信噪比均大于62dB，如图9所示。

图9 通道接收信噪比

3 结束语

本文中设计的S波段16通道接收模块，具有集成度高，通道增益高，噪声系数低，各通道之间隔离度良好，性能稳定，16路接收通道各指标一致性高等特点，其研制结果满足雷达系统使用需求。