小型化超宽带侦干一体化射频变频系统的设计与实现

尹震峰，干书剑，吴中伟，王 瑾，许 颖

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)

0 引言

随着技术的进步，现代电子设备朝着低功耗、小型化、宽带化、多功能化、智能化的方向发展。在这个过程中，射频变频系统的小型化至关重要。现在的电子战系统，先进的高灵敏度、超宽带、大动态系统的广泛应用，对小型化超宽带侦干一体射频变频系统提出了迫切的需求。

近年来，随着单片集成电路(MMIC)、复合微波多层板(MCM-L)、LTCC等技术的发展，微波小型化得到了极大的发展，但是单片集成电路无法集成复杂系统，而传统复合微波多层板的宽带工作特性不佳，LTCC的成本又很高，都限制了小型化技术的大规模应用。

本文根据电子战系统的发展，提出了基于毫米波二次变频方案、复合铜基微波多层板技术和微波电路多芯片组装(MCM)等技术实现小型化超宽带的侦干一体化射频变频系统的设计。实际测试表明，该系统具有组件体积小、质量轻、功耗小，下变频接收动态范围大，杂波抑制指标高；上变频谐波抑制好，功率平坦度佳等特点，可满足现代电子战系统的需求。

1 主要研究目标

现代电子战的发展，对侦察干扰一体化提出了越来越迫切的需求。在调研了相关需求和印制板生产厂家，并联合印制板生产商做了相关可实现性和可靠性的研究工作的基础上，本文将复合铜基微波多层板技术、MCM微组装技术，以及毫米波高本振等多种技术相结合，在一个体积不超过100 mm×100 mm×10 mm的组件里，实现18 GHz以内超宽带的接收、下变频和上变频部分。组件下变频包含功率调理分路、宽带变频和中频处理等部分。上变频包含基带处理、宽带变频、分路激励等部分。该组件接收噪声系数要控制在8 dB以内，接收动态范围优于80 dB，杂散电平在-40 dBm以上，镜频抑制在50 dBc以上，中频带外抑制在50 dBc以上。上变频输出功率为8～12 dBm，谐波抑制在20 dBc以上，带内杂散抑制大于30 dBc。

图2 超宽带上下变频组件印制板版图

2 设计与仿真分析

2.1 实施方案

为实现上述目标，以复合铜基微波多层板一体化集成技术和MCM多芯片装配技术为基础，并采用毫米波二次变频方案，其系统架构如图1所示。第一级为毫米波跳频本振，第二级本振为点频。这种变频方式在保证下变频和较低杂散电平的情况下，降低了开关滤波组的要求，只需要滤除其谐波成分，无需采用大尺寸的MEMS滤波器组，故用多功能GaAs开关滤波组芯片即可，尺寸不及MEMS滤波器组的1/8，有利于小型化设计。

图1 射频变频系统原理框图

为实现接收支路的大动态，在输入低噪放前端放一级可调数控衰减器，输入信号经过毫米波跳频本振变频到Ku波段，通过滤波器滤除其本振泄漏和镜像频率和带外交调，再通过二本振混频到中频，通过滤波放大，通过开关选择一路输出-37～-7 dBm，一路输出-3～-7 dBm信号。

上变频是将中频信号上变频到Ku波段信号，经过滤波放大后再经过毫米波本振变频到工作频段，在经过开关滤波组后开关选择两路，一路输出6 GHz以内信号，一路输出18 GHz以内信号给功放。

2.2 详细电路设计

为实现该系统的小型化一体化设计，采用复合铜基微波多层板一体化设计，在保证微波性能的前提下，印制板正反面均可以放置元器件和布局走线。由于采用一体化集成技术，其微波传输线形式改为CBCPW，采用盒体对电路进行隔离，提高电磁兼容性，其电路版图如图2所示。

图3 18 GHz以内金丝匹配电路仿真模型

图4 18 GHz以内金丝匹配电路仿真图

由于采用微组装工艺装配，微波器件均为裸芯片，需要金丝键和，超宽带情况下在高频端容易失配，需要全带宽匹配。设计中采用T型节对18 GHz以内的全带宽进行金丝模型匹配，其匹配模型如图3所示。其仿真结果如图4所示，在18 GHz以内S11在-25 dB以上，单向损耗控制在0.2 dB以内。

在18～40 GHz的情况下，其金丝寄生参量改变，故对其模型进行相应修正，其模型如图5所示，仿真结果如图6所示，在18～30 GHz处S11在-15 dB以上，在30～40 GHz处，S11在-30 dB左右，在18～40 GHz带宽范围内，损耗控制在0.5 dB。

图5 18～40 GHz金丝匹配电路仿真模型

图6 18～40 GHz金丝匹配电路仿真图

整个组件的尺寸为96 mm×80 mm×10 mm，设计实物如图7所示，满足设计需求，对比相同功能的微波混合集成组件，其体积和质量大大减小，在宽带微波组件的小型化方面实现了突破。

图7 超宽带小型化变频组件实物

3 研究结果

使用频谱仪、信号源、噪声系数分析仪等设备搭建测试平台，对组件进行实测，对比相同功能混合集成微波组件，基本电气性能满足一致；在杂波抑制方面，该组件性能更加优异，其上变频输出谐波抑制更好。

上变频18 GHz以内小信号增益范围是31.8～37.6 dB，波动在5.8 dB以内，最小点是5.2 GHz，最大点是12 GHz；5.2 GHz处增益小是由于6 GHz以内采用了负斜率的放大器，外加本振功率波动；12.4～12.8 GHz处增益突然变小是由于本振功率在这几个点功率偏小导致的，如图8所示。

图8 小信号增益平坦度测试图

上变频18 GHz以内全频段输出功率范围是6.9～13.6 dBm，波动在6.7 dB，最小点是16.4 GHz，最大点是2.2 GHz，其实测结果如图9所示。可以从图9中看出，6 GHz以下是下降趋势，主要原因是采用了负斜率的放大器。

18 GHz频段内谐波抑制基本在20 dBc以上，其实测值如表1所示。

表1 上变频输出谐波抑制实测值

中频泄漏：中频信号为1.8 GHz、输入功率为-20 dBm时，中频泄漏功率为-28 dBm，与主信号的抑制基本在35 dBc以上。

下变频射频线性平坦度如图10所示为8.9 dB左右， 主要原因在于毫米波本振功率下降导致的平坦度恶化，后期改进本振放大器，提高输出功率改善平坦度。

图10 下变频平坦度测试曲线图

当2 GHz输入信号功率为10 dBm时，中频泄漏的2 GHz功率为-57 dBm；存在五阶交调，比如二本振的三倍频和一本振的二倍频混出信号，其中频输出的交调功率为-45 dBm。

4 结束语

采用毫米波二次变频方案，基于复合铜基微波多层板一体化集成设计和MCM多芯片装配技术相结合，本文成功实现了典型电子战需求的18 GHz以内超宽带小型化侦干一体射频变频系统的研制。经测试，该组件在保证基本电气性能方面与混合集成组件相当，实现了组件小型化的重大突破，整个模块尺寸为96 mm×80 mm×10 mm。可广泛应用于电子战先进超外差接收机以及阵列化的现代电子战系统中。此外，在该组件小型化技术的研究过程中，对毫米波二次变频方案、基于复合铜基微波多层板高密度集成和相关电磁兼容技术均做出了有益的尝试，积累了设计经验，并取得了良好效果，对后续基于复合铜基微波多层板的微波毫米波高密度集成组件设计也具有较重要的借鉴意义。■