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摘要：本文简要介绍了舰载平台用小型化宽带双通道接收机的设计方案。详细分析了杂散产生原理和改善杂散的实现方案，通过RF MEMS技术实现了镜像抑制滤波器的小型化设计；将电路一致性布局和软件控制方式结合实现通道间幅相一致性。接收机频率范围6～18GHz，中频带宽800MHz，带内平坦度≤±1.5dB，镜像抑制≥65dBc，幅度一致性≤±1.3dB，相位一致性≤±10°，杂散抑制≥55dBc。
关键词：小型化、宽带、双通道、镜像抑制、幅相一致性、杂散抑制
引言
近年来，在我国大力发展海军的大背景下，各类型军用舰艇的建造进入高潮期。宽带接收机是舰载电子对抗平台的核心部件，用在相控阵T/R组件和信号处理机之间，应用前景非常广泛。超宽带特性使得接收机可以获得复杂目标的精细回波响应，对目标识别和目标成像极为有利，但带来了平坦度和幅相一致性实现难度大，杂散抑制困难、中频带宽窄等问题[1][2]。本文设计了一款中频带宽达800MHz的6～18GHz超宽带接收机。
1.方案设计
本设计采取多频段划分、超外差二次下变频方案。采取多频段划分可以降低射频滤波器的设计难度，且可以利用软件对各个频段的信号幅度相位进行独立补偿，降低宽带信号处理的难度。超外差接收机优点是灵敏度高、动态范围大，缺点为组合干扰频点多，杂散抑制困难，合理选择本振和中频频率是减小杂散的关键步骤。
6～18GHz跨越几个倍频程，抑制交调干扰的一种方案为通过上变频将频率搬移至两倍射频频率之上，即一中频频率超过36GHz，但这样带来了成本的急剧增加。若一中频频率与射频频率重合，则射频带内干扰无法滤除。本文选择了低于射频频率的一中频频率，原理框图如图1所示，组件由两个相同的接收通道组成。射频信号由开关滤波器组分为八个频段，通过数控衰减器实现增益控制，增加接收机的动态范围。为减小交调干扰，一中频分两个频段，第一段射频信号对应高中频，其余段对应低中频，分别为3.1～3.9GHz和4.1～4.9GHz。二本振信号为两个点频，将信号下变频到需要的中频。二混频后的带通滤波器实现信道选择。
由于射频信号带宽宽、超外差接收机结构、本振和中频频率选择的特点，小型化设计、镜像抑制、带内平坦度、幅相一致性、杂散抑制等是设计的重点和难点。
2. 镜像抑制的实现
MEMS滤波器具有体积小（是传统滤波器体积的1/6-1/8）、选择性好、高频损耗小，工作频段高、易于和传统IC（集成电路）工艺集成等优点，可以满足新一代电子系统对小型化射频前端的需求，文中的开关滤波器组选用8个MEMS滤波器。
MEMS滤波器由两层高阻硅衬底材料组成，如图3所示：其中下层衬底为交指型滤波器的基本结构，上层衬底利用反应离子刻蚀（ICP）技术在下方谐振器对应形成微刻蚀屏蔽腔体，最终通过精密对准的圆片级键合工艺将二者结合。通过两层键合对准完成。该MEMS滤波器克服了传统平面微波滤波器存在频率漂移的腔体效应，并增强了滤波器的通带远端的杂波抑制能力。由于MEMS工艺灵活的接地方式，大大缩小了滤波器的体积。
3. 通道间幅相一致性的实现
本方案中的接收组件应用于相控阵雷达中，每个面阵包含30个接收组件，即60个接收通道，对通道间幅相一致性提出了较高要求。对于超宽带接收机，通道间电长度和电路布局的不一致将导致不同频点对应的电长度起伏很大，相位差的变化量也大，这个变化量基本无法调整。相位差的变化带来频响的差异，会产生带内增益起伏。因此在电路设计时，对于接收机的两个通道，在二混频及其之前采用完全相同的电路结构；在二混频之后，采用基本对称的电路结构，以减少通道间不同频点幅度和相位差的变化。
通道间的相位差采用数控移相器进行补偿，即针对于开关滤波器组分段产生的八个射频频段，每个射频频段给予不同的相位补偿，使得通道间的相位一致性满足需求。数控移相器设计在本振信号通路上，避免移相器各频点插入损耗的差异对射频信号通路的平坦度产生影响。表1所示为典型的数控移相器真值表，其中“1”表示高电平，“0”表示低电平。
数控移相器实现各频段独立相位补偿的方法为：通过各频段通道间的相位差确定数控移相器的控制码，然后通过Quartus II软件将各频段所对应的控制码写入CPLD器件，使得不同频段码下CPLD提供给数控衰减器不同的控制码，从而实现各频段独立的相位补偿量。
当前级增益减小时，噪声系数增加；当前级增益为0或者更低时，后级模块噪声直接叠加在系统噪声上。因此需要合适的方案降低微波信号功率的同时对噪声系数影响最小。另外，改善混频器端口匹配也能改善其交调分量。
5. 电磁兼容性和环境适应性设计
组件体积为200×70×14mm3，分为两层屏蔽盒结构设计，上层屏蔽盒包含二混频及其之前的电路，采用传统的MIC电路结构，两个通道由屏蔽盒完全隔离开，减少信号间的串扰；下层屏蔽盒包含二中频电路，采用RO4350C介质板6层压合PCB，通过多层布线实现各电信号和控制信号互联。为了增加通道间的隔离度，在二混频及之前的电路，两个通道采用完全独立的屏蔽盒实现，中频电路尽量远离，且通过金属墙隔离。组件实物如图7所示。考虑舰载应用环境，对组件的包含芯片部分进行了密封设计，电路板选用非漏铜工艺实制作，组件外喷三防漆。
7．结论
本文介绍了一种用于舰载平台的小型化宽带双通道接收机的设计方案和细节。接收机采用经典的二次下变频超外差结构。采用MEMS滤波器实现了小尺寸镜像抑制滤波器，介绍了利用数控移相器调整通道间幅相一致性的具体方法，分析了组件杂散信号的来源和提高抑制的方法，对电磁兼容性设计提出了具体方案。在800MHz中频带宽上，实现了通道间良好的幅相一致性、镜频干扰抑制和杂散抑制。目前，该产品已成功应用于某舰载平台中，可以作为同类型产品的设计参考。
参考文献:
[1]刘民伟，10MHz-12GHz超宽带接收机的设计与实现 [D].成都：电子科技大学，2013.
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[6]《中国集成电路大全》编委会.微波集成电路[M].北京:国防工业出版社,252.
论文作者:朱臣伟,黄凯,刘娟
论文发表刊物:《防护工程》2017年第9期
论文发表时间:2017/9/4
标签：滤波器论文; 接收机论文; 中频论文; 频段论文; 射频论文; 抑制论文; 移相器论文; 《防护工程》2017年第9期论文;