超宽带接收前端的设计与实现

荀 民

(西安电子工程研究所 西安 710100)

超宽带接收前端的设计与实现

荀 民

(西安电子工程研究所 西安 710100)

本文介绍了一种应用于电子对抗领域的2～18GHz超宽带接收前端的设计。首先介绍了设计方案，并针对接收前端噪声系数、增益、灵敏度等技术指标进行了设计与分析。电路设计突出小型化和高集成度，电路基于MCM多芯片微组装技术，结构上采用一体化模块化设计，便于整机集成。

超宽带；MCM；小型化

0 引言

当前无线通信技术的迅猛发展，促使电子产品正在朝高频化、宽带化、高集成度和小型化方向发展。宽频带、多功能、小型化以及电子综合一体化要求更高集成度的微波芯片，以提高单一微波模块的功能。近年来，基于MCM多芯片微组装技术为其提供了良好的技术支持。在微波多芯片组件中，通常采用金丝键合来实现MMIC和微带线之间的互连，因此，MMIC和微组装技术为MCM微波电路打下了良好的基础。

1 电路组成与设计

1.1 组成

2～18GHz超宽带接收前端主要由低噪声放大，开关滤波，两次变频以及控制电路等组成。实现对接收天线输出信号的放大、混频、滤波，为信号处理分系统输入中频信号。系统采用芯片化，一体化设计思路，整个接收前端在一个结构腔体内实现。

1.2 工作原理

该接收前端原理框图如图1所示，主要包含三个部分，分别是前级部分、混频部分、以及控制部分。接收前端对2～18GHz的信号进行接收和处理，系统要求接收前端能处理16GHz带宽的信号，每路信号瞬时带宽为500MHz。电路的前级设置了低噪声放大器(LNA)，并通过开关滤波芯片把信号带宽划分为五段，射频信号与一本振信号(LO1)混频后产生22.25GHz的第一中频信号(IF1)，经过带通滤波后再与二本振信号(LO2)混频产生1.5GHz的第二中频信号(IF2)，最终将频率为1.5GHz±250MHz的中频信号经过带通滤波器和放大器之后送给信号处理分系统。

如图1所示，前级部分包含了低噪声放大器和一个开关滤波芯片，主要用于信号的低噪声放大和输入选择。开关滤波芯片划分的五段频率范围分别为：2GHz～3.8GHz，2.9GHz～5.6GHz，4.7GHz ～8.5GHz，7.3GHz～12.2GHz，11.3GHz～18GHz，主要是用于系统的镜像抑制和频率选择，通过控制信号来切换滤波芯片的通带。第一次混频之后的中频信号为22.25GHz，第二次混频后中频输出信号为1.5GHz，两次混频后均选择合适的带通滤波器滤除无用信号。

2 主要参数计算

2.1 噪声系数分析

噪声系数是表征接收机内部噪声大小的一个物理量。噪声系数可以用接收机输入端的信噪比(Si/Ni)与输出端的信噪比(So/No)之比来表示。

(1)

对于级联系统来说，需要用系统中各级的增益以及噪声系数来确定系统的总噪声系数，对于典型的级联系统，若各级增益分别为 G1，G2，G3；各级噪声系数为NF1，NF2，NF3；则系统总的噪声系数为：

(2)

低噪声放大器是接收前端的主要部件，其性能直接影响接收前端的噪声系数和增益是否满足要求，由多级级联电路的噪声系数公式可知，第一级放大器的高增益可以削弱后级对噪声系数的影响。所以第一级放大器按最小噪声系数选择，第二级在兼顾P-1的同时要提供足够的增益，确保将后级电路对总体噪声系数的影响降到最小。

根据原理框图的要求进行系统的器件选型，所选器件核心参数如表1所示。

表1 各级器件参数

器件LNA1滤波芯片LNA2混频器1放大器1滤波器1增益15-615-823-3.5噪声系数3.0N/A3.0N/A2.0N/A

根据级联系统噪声系数公式(2)可以计算得出系统噪声系数 NF≤3.5dB。

2.2 增益分配

根据公式(2)的分析可知，系统最前几级的增益和噪声系数决定了最终的噪声系数。低噪放(LNA1)为第一级，即低噪放需要大的增益和小的噪声系数。系统每一级的增益以及噪声系数，如图2所示，接收前端总增益为45dB。接收通道各部分的增益设置，要保证在动态范围内各级器件均不出现饱和。

2.3 系统接收灵敏度

接收系统输入端能够接收并正确处理的最小信号电平即为接收系统灵敏度，计算公式为：

Psmin=-114+NF+10log(BW)

(3)

式中：BW为接收带宽(单位为MHz)，在这里取500 MHz；NF为系统总的噪声系数；由于本系统的噪声系数为3.8dB，将其代入式(3)便可以得到系统的灵敏度为-83.2dBm。

3 电路实物与测试结果

超宽带接收前端实物如图3所示。2～18GHz射频输入端口采用SMA同轴方式。中频输出以及本振输入端口采用SMP盲配方式，利于前端模块与后级电路模块的级联。电源与控制采用多芯连接器。

由于该接收前端频率跨度大，测试点数多，所以这里采用是德公司PNA-X系列的矢量网络分析仪N5244A进行测试。N5244A具有变频测试的功能，测试时可以对每个端口的功率进行校准。为了提高测试的准确度，将端口1的功率校准到-5dBm，然后接55dB的同轴衰减器再连接到接收前端的输入口。

表2 接收前端实际测试结果

名称带宽噪声系数增益P-1各通带增益一致性测试结果16GHz3.6dB≥39dB见图515.3dBm±3dB

接收前端的各项指标如表2所示，整个频带内噪声系数最差值为3.6dB；输出P-1功率值为15.3dBm，测量中改变射频频率该值没有变化，说明接收前端的增益分配合理：当输入信号足够大时，首先是末级放大器的增益出现压缩。从图5可以看出开关滤波芯片将2～18GHz划分成五个频段，五个通带之间的增益差最大有6dB，而且具有随着频率的升高增益越来越小的规律。

4 结束语

本文设计了一种超宽带集成一体化接收前端，电路采用了MMIC单片集成电路。该接收前端在2～18GHz的频率范围内，实现了噪声系数小于等于3.6dB，频率低端增益45dB频率高端增益39dB。由于接收前端带宽较宽，受放大器以及混频器的幅频特性所限制，高低端频带内增益有6dB的变化，其解决办法是在通道内增加宽带幅度均衡器。目前中电13所的均衡器芯片可以在2～18GHz的频率范围内达到3.5 dB的均衡量，可以把带内的增益起伏优化到2.5dB以内。该接收前端具有结构紧凑、体积小、重量轻和高可靠、高稳定性等特点，实物测试结果验证了设计的有效性，在宽带雷达电子对抗中具有广泛的应用前景。

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DesignandImplementationofUltraWidebandReceivingFront-end

Xun Min

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

Design of an ultra wideband (2～18GHz) receiving front-end which can be used for electronic countermeasure (ECM) is presented. Design scheme is introduced; noise figure, gain, and sensitivity of the receiving front-end are designed and analyzed. Based on multi-chip micro-package (MCM) technology, the circuit design features miniaturized and high integration; integrated and modularized design in structure, which make the whole unit be easy for integration.

ultra wideband; MCM; miniaturization

2017-06-02

荀民(1980-)，男，高级工程师。研究方向为微波和毫米波接收系统。

TN957

A

1008-8652(2017)03-055-04