一种小型化超宽带变频组件的设计与实现

桂 盛，王 勇

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州225101)

0 引 言

随着电子战技术的不断进步，电子战系统对宽带变频系统的指标要求越来越高，体积小、重量轻及可靠性高已成为通用要求。砷化镓场效应元件(Ga As FET)、单片微波集成电路(MMIC)及多芯片组件(MMCM)等新器件和新工艺的快速发展，为高性能和小型化微波组件的设计及实现提供了技术支撑。

本文采用计算机优化设计，基于MMCM集成技术，结合微波组件电磁兼容设计方法，实现了一种小型化超宽带变频组件。

1 方案选择

如图1所示，0.3～18 GHz小型化超宽带变频组件由灵敏度控制电路、频率预选电路及变频电路三部分组成，具体包括限幅器、开关、放大器、滤波器及混频器等多种集成电路。

图1中，外部天线输入信号与内部自校准信号通过开关切换，保证工作通道内所有微波器件均能进行幅度及相位校准，确保自校准功能的准确性。根据输入信号的功率电平，经过灵敏度控制，使进入频率预选电路的信号功率始终处于一个固定的功率电平范围内。频率预选电路中，将0.3～18 GHz信号分成多个子频段，在快速扫描模式下依次选通不同频段进行外部信号搜索，同时也保证在搜索过程中无虚假信号的产生。变频电路通过选择合适的本振频率，确保变频过程中的杂散及虚假信号的抑制满足要求。

图1 变频组件组成框图

2 技术设计

2.1 变频组件的低杂散设计

组件接收到0.3～18 GHz的射频信号后，经过频率预选电路将输入信号分为11个子频段，如图2所示。频率预选电路的输出信号经二次变频后，输出频率为960±F0MHz的中频信号，根据不同频段的应用需求，F0分别对应不同的中频带宽，变频电路原理框图如图3所示。杂散抑制是考量变频方案是否优劣的最好判定依据，以6～18 GHz频段为例，将选用混频器的典型交调杂散参数(如表1、表2所示)作为参考，对该电路杂散进行计算和仿真，如图4、图5所示。

如图4所示，6～18 GHz一次变频时，当进入混频器的输入射频信号为-10 d Bm、本振信号为13 d Bm时，输出1.5～3.5 GHz频段内，主信号功率约为-20 dBm，最高杂散约为-80 dBm，达到-60 d Bc。如图5所示，6～18 GHz二次变频时，当进入混频器的输入射频信号为-10 dBm、本振信号为13 d Bm 时，输出710～1 210 MHz频段内，主信号功率约为-20 dBm，最高杂散为-90 dBm，达到-70 dBc。带外近端杂散有本振泄露、射频泄露、三阶交调等，这些信号均可采用带通滤波器抑制。

2.2 金丝键合线补偿电路研究

图2 频率预选电路框图

图3 变频电路框图

表1 混频器HMC773典型性能参数表

表2 混频器HMC213MS8典型性能参数表

图4 6～18 GHz频段一次变频的杂散仿真图

图5 6～18 GHz频段二次变频的杂散仿真图

0.3～18 GHz超宽带变频组件的小型化设计是本组件实现过程中的主要难点。为了实现小型化这个目标，组件充分利用了MMCM微组装工艺带来的优势，采用金丝键合或金带键合的方法实现MMIC与MMIC、片式电容及微带电路间的信号互连。金丝键合的传输特性是影响组件微波性能的一个关键因素，其键合长度、拱高、跨距和键合一致性等参数均对微波性能具有很大的影响[1]，本组件在设计时重点对金丝键合线补偿电路开展了研究。

图6 金丝线键合互连结构示意图

如图7所示，对于金丝线键合互连模型，其等效电路可以简单地采用并联电容C、串联电感L 和串联电阻R 组成的低通滤波器网络来表示[2]。其中串联电感L对金丝线键合性能的影响最大，而并联电容C 因为其数值较小，对电路性能的影响不明显，通常可以忽略不计。

图7 金丝线键合互连模型的等效电路

对于自由空间中长度l、直径d的圆形键合线，其电感L和串联电阻R可分别用以下式表示[2]：

当d/d s≤3.394时，有：

当d/d s≥3.394时，有：

式中：μ0为空气介质的导磁率(μ0=4π×10-7H/m)；μr和ρ分别为键合线材料的相对导磁率和电阻率；d s为键合线的趋肤深度(d s∝1/，f为频率)。

根据以上公式可知，当键合金丝线的长度越短、直径越大时，键合互连的微波特性越好；与此相反，当键合金丝线的长度越长、直径越小时，键合互连的微波特性越差。

基于上述结论，为明显提升微波特性，一方面，可以采用2根或多根并行键合线实现键合互连从而降低金丝线的寄生电感、提升键合可靠性[1]；另一方面，可以采用电容补偿结构，即增加耦合电容来补偿键合线的寄生电感效应[3]。本组件设计时在三维电磁仿真软件HFSS中分别对上述2个方面进行了建模仿真，其中键合线金丝键合数目是分别是1根和3根，直径0.025 mm，长度0.3 mm，如图8～图9所示。相对于图8所示模型的微波传输特性，图9采用的3根键合金丝线互连结构，结合所设计的电容补偿结构，在30 GHz以下频段，其回波损耗指标优化10 dB 以上，显著改善了传统金丝键合工艺的微波传输特性。

图8 1根金丝键合(未采用电容补偿结构)模型及微波传输特性仿真图

图9 3根金丝键合(采用电容补偿结构)模型及微波传输特性仿真图

2.3 组件的电磁兼容设计

变频组件中存在着射频信号、控制及电源信号的交叉传导，电磁环境比较复杂，因此在设计阶段，必须充分考虑到电磁兼容的设计。

腔体布局需重点考虑腔体效应带来的电磁场分布及腔体谐振对组件性能及可靠性的影响。本组件采用三维电磁场仿真软件(HFSS)，将腔体和器件建模，对微波组件进行场分析仿真，观察腔体内电磁场分布情况，尽量避免腔体的第一谐振频率落在组件工作频带内[4]。此外，腔体布局还应考虑输入射频信号及本振信号的泄露问题，所以腔体的屏蔽设计也尤为重要。

变频组件工作频带宽、增益高、腔体结构复杂，并且控制信号线复杂，所以组件内比较容易出现由控制信号线引入的低频干扰信号。为了消除低频干扰隐患，控制信号线需合理布局，同时需在控制信号线上加低频和高频旁路去耦电容。对于共用电源及控制信号的不同微波器件，其偏置电路间需串接电磁兼容滤波器或者射频扼流线圈，避免信号在不同微波器件之间形成放大环路，产生自激信号。

3 设计实现及测试结果

针对变频组件的小型化设计要求，根据不同微波器件的封装形式和装配工艺，变频组件选用了不同介电常数的微波基板来实现各级功能电路，基于MEMS工艺的滤波器和MMCM微组装工艺，为小型化微波组件的实现奠定了良好的基础。本组件中，6～18 GHz频段内的频率预选电路选用了相应频率的MEMS滤波器组，其体积仅为传统腔体结构滤波器组体积的25%。实物0.3～18 GHz变频组件外形图如图10所示，所能达到的主要技术指标如表3所示。

图10 0.3～18 GHz变频组件实物外形图

表3 变频组件主要技术指标列表

4 结束语

0.3～18 GHz超宽带变频组件具有小型化、模块化和通用化的特点，符合小型化整机的安装要求。该小型化微波组件的成功实现对进一步探索超宽带及多功能超级微波组件的实现起到了一定的技术参考作用。