一種超低噪聲抗干擾射頻接收前端設(shè)計(jì)

1、一種超低噪聲抗干擾射頻接收前端設(shè)計(jì)【摘要】本文設(shè)計(jì)了一種超低噪聲抗干擾射頻接收前 端模塊， 主要特點(diǎn)是超低的噪聲系數(shù)，并且內(nèi)部集成濾波器，對(duì)近遠(yuǎn)端的信號(hào) 干擾都有較大的抑制。超低噪聲電路采用0.5 pm E?PHEMT，采用超 低噪聲的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。內(nèi)部濾波器使用2級(jí)聲表濾波器，完成近、 遠(yuǎn)端抑制功能。射頻接收前端模塊采用表貼工藝研制，并一體化塑 封。【關(guān)鍵詞】超低噪聲抗干擾接收前端一體化塑封1引言射頻接收前端是接收系統(tǒng)的重要組成部分，用在系統(tǒng)的 前級(jí)，對(duì)接收系統(tǒng)的靈敏度起重要作用。本產(chǎn)品針對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)某頻段進(jìn)行專業(yè)開發(fā)，主要特點(diǎn)是超低 噪聲，較好的抗干擾能力，一體化封裝。我們進(jìn)行了針對(duì)性的

2、濾波器 設(shè)計(jì)生產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)器件的互聯(lián)與封裝。2電路設(shè)計(jì)2.1產(chǎn)品功能及工作原理在北斗導(dǎo)航接收系統(tǒng)中，接收信號(hào)功率在-100dBm以下，如果 不通過(guò)低噪聲放大處理，信號(hào)可能會(huì)淹沒(méi)在系統(tǒng)本身的噪聲中。而且接 收系統(tǒng)還面臨各種其他通訊頻率干擾，包括發(fā)射系統(tǒng)的泄露功率。本產(chǎn) 品提供給接收系統(tǒng)前級(jí)信號(hào)放大以及抗干擾的作用射頻前端的主要結(jié)構(gòu)為：第1級(jí)低增益超低噪聲放大器一 第 1級(jí)寬帶濾波器一 第2級(jí)高增益低噪聲放大器一 第2級(jí)窄帶 濾波器，含饋電電路，如圖1所示。圖1電原理框圖第1級(jí)放大器主要指標(biāo)是超低噪聲、較低增益、兼顧輸出功率 和功耗。第1級(jí)濾波器濾除遠(yuǎn)端大功率干擾信號(hào)，防止后級(jí)工作飽 和。第1級(jí)電路

3、主要目的是防止模塊工作飽和造成功能失效。第2級(jí)高增益低噪聲放大器主要指標(biāo)是較高的增益，并兼顧噪 聲和功耗，選用一款單片放大器（噪聲2dB，增益22dB）第2級(jí)濾波 器濾除近端無(wú)線電通訊信號(hào)干擾。第2級(jí)電路主要目的是提高模塊增 益以及抗干擾能力。2.2前級(jí)超低噪聲放大器設(shè)計(jì)第1級(jí)放大器關(guān)鍵指標(biāo)是超低噪聲，對(duì)放大器的噪聲進(jìn)行最優(yōu) 化設(shè)計(jì)，在噪聲最優(yōu)化的情況下對(duì)駐波、平坦度、穩(wěn)定性進(jìn)行改善。 采用以下幾個(gè)措施：（1 ）選用合適的晶體管，使其輸入阻抗接近 50 Q，或易于匹配到50 Q系統(tǒng)。（2）輸入端使用電抗匹配，最優(yōu) 化噪聲系數(shù)。（3）選用合適的源極電感，有效改善輸入駐波以及增 加穩(wěn)定性。（4）輸

4、出級(jí)使用合適的有損匹配，改善增益平坦度以及增加穩(wěn)定性。根據(jù)性能要求，我們選用0.5 pm pHEMT管進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多次仿真設(shè)計(jì)，進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，仿真設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)如下，如圖 2 所示。圖2放大器仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 仿真結(jié)果如下，如圖3、圖4所示。圖3放大器仿真結(jié)果1圖4放大器仿真結(jié)果2加工樣品，測(cè)試結(jié)果為：工作頻率2492 + 4MHz，噪聲0.58dB，輸入輸出駐波1.6，增益14.5dB，電流15mA。2.3濾波器設(shè)計(jì)由于電性能特點(diǎn)和小尺寸要求，我們采用聲表濾 波器的方案。濾波器1要求損耗小，遠(yuǎn)帶抑制高，我們選用了阻抗元 濾波器（IEF），這種聲表面波濾波器是一種梯形濾波器。這種濾波器

5、由 一組純粹電連接的諧振器構(gòu)成，雖然這些諧振 器都制作在相同的基片 上，但卻沒(méi)有聲耦合。在聲激發(fā)不強(qiáng)烈的頻率處，器件相當(dāng)于一個(gè)電 容器網(wǎng)絡(luò)，因此會(huì)產(chǎn)生衰減而形成阻帶。衰減和電容比有關(guān)系，諧振 器的數(shù)目越多，衰 減就越大。梯形濾波器濾波優(yōu)點(diǎn)是損耗小，1- 2dB。濾波器2要求近阻帶抑制高，陡降快。我們選用了鏡像耦合的 DMS濾波器，為了提高矩形度，IIDT采用變指IDT，這種技術(shù)采用了 一種不同的諧振方式，在兩個(gè)反射柵之間的空間內(nèi)有三個(gè)換能器。兩 個(gè)反射柵構(gòu)成的諧振腔會(huì)產(chǎn)生一組諧振模式，換能器對(duì)稱排列，這 樣就只對(duì)對(duì)稱模式產(chǎn)生響應(yīng)。設(shè)計(jì)的器件在反射柵的反射頻帶內(nèi)只有 兩種對(duì)稱模式，這樣，器件就相

6、當(dāng)于一個(gè)雙極濾波器。加工樣品，測(cè)試結(jié)果為：濾波器1：工作頻率2492 土 20MHz,插損2dB,輸入輸出駐波1.6，遠(yuǎn)端抑制29dB2492+ 100MHz。濾波器2:工作頻率2492 土 4MHz，插損6dB，輸入輸出 駐波 1.8，近端抑制 29dB2492 28MHz。2.4電磁兼容考慮小尺寸對(duì)電磁兼容、信號(hào)泄露等都提出更高的要求。尤其是信號(hào) 從空間的泄露，在小尺寸的范圍內(nèi)很難避免。對(duì)于 有源的放大器件來(lái) 說(shuō)，很容易造成性能不穩(wěn)定，甚至自激的可能。需要通過(guò)合理的排 版、布線、電源褪耦減小空間耦合 帶來(lái)的不良影響。我們采用軟件對(duì)排版后的電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并加上封 裝層一并 進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。

7、并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)修正設(shè)計(jì)模型，得到 較為可靠的仿真設(shè) 計(jì)模型。2.5產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和封裝 本設(shè)計(jì)采用全表貼的工藝方案，元器件采用全表貼形式，可采用自動(dòng)表貼工藝，工藝成熟，效率高，可靠性強(qiáng)，價(jià)格 上也有比 較明顯的優(yōu)勢(shì)。電路板上表面為電路圖形，下表面為產(chǎn)品的信號(hào)輸入端、信號(hào)輸 出端、接地端。正面電路的端口通過(guò)電路板上過(guò)孔與反面電路端口進(jìn)行電連接。如圖5所示。圖5電路板示意圖封裝采用注膠灌封的形式，將所有元器件表 面封實(shí)，進(jìn) 行器件的表面保護(hù)，形成一個(gè)模塊，反面供用戶焊接使 用。 如圖 6 所示。圖6封裝的產(chǎn)品圖片3測(cè)試結(jié)果分析按照以上設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出的射頻接收前端典型 測(cè)試結(jié)果如下：工作頻率2492 4M

8、Hz，噪聲0.85dB,增益28 dB,駐波1.8，電源 +3V/22mA，尺寸 10.3mm x 7.8mm。阻帶抑制：55dBc0.1 2400MHz; 26dBc24002464MHz; 26dBc 2520 2600MHz ; 50dBc26005000MHz。本樣 品曾運(yùn)用到接收系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且在發(fā)射系統(tǒng)工作時(shí)，接收前端增 益壓縮小于0.5dB。增益詳細(xì)曲線見圖7,噪聲詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖8。圖7增益測(cè)試曲線圖8噪聲測(cè)試4結(jié)語(yǔ)本文介紹的射頻接收前端模塊較好的處理了超低噪聲、抗干擾、低功耗等綜合技術(shù)指標(biāo),并解決了模塊內(nèi)的信號(hào)串?dāng)_等技術(shù)問(wèn) 題，加工制作了一個(gè)小型一體化的塑封表貼模塊。本文研制

9、出的產(chǎn)品 還經(jīng)過(guò)了高低溫試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、電老練試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，可靠 性較好。參考文獻(xiàn)：-1程冰，竹衛(wèi)崢，沈一鳴，范小龍.一種共電流型寬帶 低噪聲 放大器設(shè)計(jì)-J.中國(guó)科技縱橫，2016, 01.-2雷振亞，明正峰，李磊，謝擁軍.微波工程導(dǎo)論-M.北京：科學(xué)出版社，2010，2-1.清華大學(xué) 編寫組編.微帶電路M.北京：人民郵電出 版社，1975： 171.Niclas，K. B.， et al.，“ The MatchedFeedback Amplifier : Ultrawideband Microwave Amplification with GaAs MESFET， s” IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques， Vol. 28， No. 4， 1980， pp. 285?C294.作者簡(jiǎn)介：王毅剛（1957），男，河北獻(xiàn)縣人，中國(guó)科技德清華瑩電子有 限公司工程師，從事射頻聲表面波器件和電路設(shè)計(jì)與研究；程冰（1981-），男，安徽寧國(guó)人，中