基于混頻器的變頻通道設(shè)計(jì)

摘要：文中介紹一個(gè)發(fā)射機(jī)中的“上變頻”模塊的設(shè)計(jì)。中頻輸入頻率為300±100MHz，本振輸入為3100MHz。射頻輸出為3400±100MHz。帶內(nèi)波紋1dB以內(nèi)。雜波抑制大于30dBc。選用Hittite的雙平衡混頻器HMC215LP4和mini公司的放大器gail-39。為了保證發(fā)射信號(hào)頻譜的純度，抑制諧雜波干擾，在發(fā)射鏈路的最后一級(jí)加入了定制的腔體濾波器。測(cè)試結(jié)果表明達(dá)到了指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞：發(fā)射機(jī)；上變頻

    一個(gè)無(wú)線發(fā)射／接收機(jī)一般包含了射頻電路和基帶電路兩個(gè)部分，基帶電路完成基帶信號(hào)的處理，雷達(dá)中信號(hào)信息的解調(diào)和調(diào)制就在基帶板上來(lái)完成。射頻電路完成信號(hào)的上下變頻。
    發(fā)射鏈路主要完成將經(jīng)過(guò)調(diào)制的基帶信號(hào)與木振信號(hào)混頻后，上變頻到所需要的載波頻率，濾除雜波后經(jīng)過(guò)放大器放大到足夠的功率之后發(fā)射出去。存這個(gè)過(guò)程中，發(fā)射信號(hào)的功率，增益平坦度，線性度和相位噪聲以及信號(hào)雜散水平等指標(biāo)成為了發(fā)射鏈路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。
    接收鏈路接收到天線的微弱信號(hào)后，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器放大，濾波，下變頻等環(huán)節(jié)，最終將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為基帶信號(hào)。由于接收到的信號(hào)功率水平低，外界環(huán)境復(fù)雜，所以接收鏈路的靈敏度成為我們最關(guān)心的指標(biāo)。此外，接收鏈路的鏡頻抑制度，增益，相位噪聲，雜散抑制度等指標(biāo)也很重要。如何保證這些指標(biāo)成為接收鏈路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。
    無(wú)論是發(fā)射還是接收鏈路，最重要功能都是完成上下變頻。目前的上下變頻大多是利用模擬混頻器來(lái)完成，由于模擬混頻器為非線性電路，在混頻的過(guò)程中，都具有變頻損耗，此外還具有本振泄露，互調(diào)頻率信號(hào)，鏡頻信號(hào)等雜散信號(hào)所以，選擇指標(biāo)優(yōu)良的混頻器，對(duì)混頻器的輸入輸出做阻抗匹配；合理配置參與混頻的兩路信號(hào)的功率來(lái)對(duì)混頻電路進(jìn)行淵整，使其得到最好的性能狀態(tài)。此外，選擇合適的濾波器來(lái)濾除雜波信號(hào)也是確保鏈路雜散的重要手段。

1 設(shè)計(jì)思路
    收發(fā)模塊完成信號(hào)頻譜的搬移和信號(hào)功率的放大。在設(shè)計(jì)收發(fā)通道時(shí)，需要根據(jù)變頻特點(diǎn)合理選擇混頻器，最大程度的保證帶寬內(nèi)的雜散抑制度，諧波抑制度等重要的指標(biāo)。此外，鏈路的增益，輸出信號(hào)的功率水平也是考察的重要指標(biāo)。在選取放大器的時(shí)候也要充分考慮。各級(jí)電路的匹配和電路板的防電磁十?dāng)_也很重要。此外還要考慮放大器的自激和腔體的諧振特性。通道示意如圖1所示。

2 器件選擇
    電路中放大器采用了mini公司的gail-39。混頻器采用的是Hittite的雙平衡混頻器HMC215LP4。表1為這兩個(gè)器件的一些典型參數(shù)。

    在電路實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，電路中多設(shè)計(jì)了一個(gè)放大器的位置，當(dāng)實(shí)際調(diào)試中鏈路增益不夠時(shí)可以補(bǔ)充電路增益。同時(shí)也會(huì)加大電路的功耗。
    為了保證發(fā)射信號(hào)頻譜的純度，抑制諧雜波干擾，在發(fā)射鏈路的最后一級(jí)加入腔體濾波器。表2為發(fā)射通道的濾波器指標(biāo)，這個(gè)濾波器為某公司的定制濾波器。

    在發(fā)射和接收通道中，功率平坦度是一個(gè)很重要的指標(biāo)。在平坦度調(diào)試過(guò)程中，首先需要做好各級(jí)電路之間的匹配，匹配不好，會(huì)造成各級(jí)電路之間的信號(hào)反射，影響電路增益的同時(shí)也會(huì)造成功率在不同頻率上的波動(dòng)，使功率平坦度惡化。在某些頻率點(diǎn)上功率較大的話．可以使用串聯(lián)或者并聯(lián)諧振電路，衰減該頻率點(diǎn)上的功率。這樣的電路稱作陷波電路。
    最簡(jiǎn)單的陷波電路就是RLC陷波電路。其中，LC電路形成諧振電路，可以通過(guò)計(jì)算或者仿真得到其諧振點(diǎn)。電阻R控制其衰減量。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是，在頻率較低的時(shí)候可以比較精確的調(diào)試得到準(zhǔn)確的頻率點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。其缺點(diǎn)是，這樣的電路會(huì)對(duì)信號(hào)功率造成衰減，調(diào)試時(shí)，元件值也有一定的誤差范圍，需要多次嘗試才能準(zhǔn)確找到諧振點(diǎn)。并且在信號(hào)帶寬比較大時(shí)，該電路形式的效果有限。而且這樣的電路最好用于電路的低頻率階段。圖2是本次電路調(diào)試的時(shí)候采用的諧振電路和仿真結(jié)果。

    在收發(fā)變頻通道的設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)已經(jīng)設(shè)定好的射頻和中頻信號(hào)頻率合理選擇本振信號(hào)的頻率和變頻的次數(shù)，盡量回避諧波信號(hào)出現(xiàn)在信號(hào)的帶寬范圍內(nèi)，甚至與信號(hào)重疊的情況。存本設(shè)計(jì)中，僅對(duì)信號(hào)做一次變頻，從圖3中可以看出，在發(fā)射通道上，當(dāng)信號(hào)(RF)為200M Hz，本振信號(hào)(L0)為3100MHz時(shí)，2×RF+LO=3500MHz的諧波信號(hào)恰好處在發(fā)射中頻信號(hào)帶寬的邊帶上。同樣，在接收通道中，接收RF為3300M Hz時(shí)，諧波信號(hào)2xRF-2LO=400MHz的諧波信號(hào)也恰好處于接收中頻信號(hào)帶寬的邊緣上。上面的兩個(gè)諧波信號(hào)處于信號(hào)帶寬范圍的邊帶上，濾波器難以濾除。但同時(shí)，該信號(hào)對(duì)于系統(tǒng)的工作性能沒(méi)有直接影響。課題指標(biāo)中對(duì)其沒(méi)有嚴(yán)格要求。

3 相關(guān)電路
    電路采用了射頻微波基板Rogers4003，該基板的介電常數(shù)為3.38，厚度為0．508mm。電路采用雙層板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，微波電路及電源偏置電路均在頂層，底層全部為接地層，便于裝配時(shí)固定于腔體內(nèi)部。大面積接地也有利于電路的電磁屏蔽。由于電路采用分離模塊一體化設(shè)計(jì)，最后制作完成的各模塊電路在調(diào)試好之后還要裝配固定于加工好的大腔體內(nèi)部。小腔體之間采用射頻同軸線連接，接頭全部為SMA頭。外部電源采用穿心電容饋電。如圖4所示。

4 測(cè)試結(jié)果
    從圖5(發(fā)射通道雜散測(cè)試結(jié)果)中可以看出發(fā)射通道在200MHz帶寬內(nèi)基本沒(méi)有雜波，抑制度在60dBc以上。當(dāng)輸入200MHz／0dBm信號(hào)時(shí)，在距離該信號(hào)200MHz的位置上的諧波剛好在信號(hào)帶寬邊緣。此處的諧波抑制度在40dBc以上。圖4—4中的信號(hào)諧波雖然較大，但是由于其處于信號(hào)帶寬的邊緣，對(duì)系統(tǒng)工作基本沒(méi)有影響。其余諧波均在信號(hào)帶寬之外。

    在做好各個(gè)微波器件的匹配之后，采用上面提到的RLC陷波電路調(diào)試，測(cè)量得到的輸出功率平坦度在1．1dB左右，如圖6所示。