基于混频器的变频通道设计

摘要：文中介绍一个发射机中的“上变频”模块的设计。中频输入频率为300±100MHz，本振输入为3100MHz。射频输出为3400±100MHz。带内波纹1dB以内。杂波抑制大于30dBc。选用Hittite的双平衡混频器HMC215LP4和mini公司的放大器gail-39。为了保证发射信号频谱的纯度，抑制谐杂波干扰，在发射链路的最后一级加入了定制的腔体滤波器。测试结果表明达到了指标要求。
关键词：发射机；上变频

    一个无线发射／接收机一般包含了射频电路和基带电路两个部分，基带电路完成基带信号的处理，雷达中信号信息的解调和调制就在基带板上来完成。射频电路完成信号的上下变频。
    发射链路主要完成将经过调制的基带信号与木振信号混频后，上变频到所需要的载波频率，滤除杂波后经过放大器放大到足够的功率之后发射出去。存这个过程中，发射信号的功率，增益平坦度，线性度和相位噪声以及信号杂散水平等指标成为了发射链路的设计难点。
    接收链路接收到天线的微弱信号后，经过低噪声放大器放大，滤波，下变频等环节，最终将射频信号转化为基带信号。由于接收到的信号功率水平低，外界环境复杂，所以接收链路的灵敏度成为我们最关心的指标。此外，接收链路的镜频抑制度，增益，相位噪声，杂散抑制度等指标也很重要。如何保证这些指标成为接收链路的设计难点。
    无论是发射还是接收链路，最重要功能都是完成上下变频。目前的上下变频大多是利用模拟混频器来完成，由于模拟混频器为非线性电路，在混频的过程中，都具有变频损耗，此外还具有本振泄露，互调频率信号，镜频信号等杂散信号所以，选择指标优良的混频器，对混频器的输入输出做阻抗匹配；合理配置参与混频的两路信号的功率来对混频电路进行渊整，使其得到最好的性能状态。此外，选择合适的滤波器来滤除杂波信号也是确保链路杂散的重要手段。

1 设计思路
    收发模块完成信号频谱的搬移和信号功率的放大。在设计收发通道时，需要根据变频特点合理选择混频器，最大程度的保证带宽内的杂散抑制度，谐波抑制度等重要的指标。此外，链路的增益，输出信号的功率水平也是考察的重要指标。在选取放大器的时候也要充分考虑。各级电路的匹配和电路板的防电磁十扰也很重要。此外还要考虑放大器的自激和腔体的谐振特性。通道示意如图1所示。

2 器件选择
    电路中放大器采用了mini公司的gail-39。混频器采用的是Hittite的双平衡混频器HMC215LP4。表1为这两个器件的一些典型参数。

    在电路实际设计时，电路中多设计了一个放大器的位置，当实际调试中链路增益不够时可以补充电路增益。同时也会加大电路的功耗。
    为了保证发射信号频谱的纯度，抑制谐杂波干扰，在发射链路的最后一级加入腔体滤波器。表2为发射通道的滤波器指标，这个滤波器为某公司的定制滤波器。

    在发射和接收通道中，功率平坦度是一个很重要的指标。在平坦度调试过程中，首先需要做好各级电路之间的匹配，匹配不好，会造成各级电路之间的信号反射，影响电路增益的同时也会造成功率在不同频率上的波动，使功率平坦度恶化。在某些频率点上功率较大的话．可以使用串联或者并联谐振电路，衰减该频率点上的功率。这样的电路称作陷波电路。
    最简单的陷波电路就是RLC陷波电路。其中，LC电路形成谐振电路，可以通过计算或者仿真得到其谐振点。电阻R控制其衰减量。这种电路的优点是，在频率较低的时候可以比较精确的调试得到准确的频率点，其结构简单，易于调试。其缺点是，这样的电路会对信号功率造成衰减，调试时，元件值也有一定的误差范围，需要多次尝试才能准确找到谐振点。并且在信号带宽比较大时，该电路形式的效果有限。而且这样的电路最好用于电路的低频率阶段。图2是本次电路调试的时候采用的谐振电路和仿真结果。

    在收发变频通道的设计中，需要根据已经设定好的射频和中频信号频率合理选择本振信号的频率和变频的次数，尽量回避谐波信号出现在信号的带宽范围内，甚至与信号重叠的情况。存本设计中，仅对信号做一次变频，从图3中可以看出，在发射通道上，当信号(RF)为200M Hz，本振信号(L0)为3100MHz时，2×RF+LO=3500MHz的谐波信号恰好处在发射中频信号带宽的边带上。同样，在接收通道中，接收RF为3300M Hz时，谐波信号2xRF-2LO=400MHz的谐波信号也恰好处于接收中频信号带宽的边缘上。上面的两个谐波信号处于信号带宽范围的边带上，滤波器难以滤除。但同时，该信号对于系统的工作性能没有直接影响。课题指标中对其没有严格要求。

3 相关电路
    电路采用了射频微波基板Rogers4003，该基板的介电常数为3.38，厚度为0．508mm。电路采用双层板结构设计，微波电路及电源偏置电路均在顶层，底层全部为接地层，便于装配时固定于腔体内部。大面积接地也有利于电路的电磁屏蔽。由于电路采用分离模块一体化设计，最后制作完成的各模块电路在调试好之后还要装配固定于加工好的大腔体内部。小腔体之间采用射频同轴线连接，接头全部为SMA头。外部电源采用穿心电容馈电。如图4所示。

4 测试结果
    从图5(发射通道杂散测试结果)中可以看出发射通道在200MHz带宽内基本没有杂波，抑制度在60dBc以上。当输入200MHz／0dBm信号时，在距离该信号200MHz的位置上的谐波刚好在信号带宽边缘。此处的谐波抑制度在40dBc以上。图4—4中的信号谐波虽然较大，但是由于其处于信号带宽的边缘，对系统工作基本没有影响。其余谐波均在信号带宽之外。

    在做好各个微波器件的匹配之后，采用上面提到的RLC陷波电路调试，测量得到的输出功率平坦度在1．1dB左右，如图6所示。