王毅刚 程冰 李勇 朱卫俊 范小龙（中电科技德清华莹电子有限公司，浙江德清 313200）
一种超低噪声抗干扰射频接收前端设计
王毅刚程冰李勇朱卫俊范小龙
（中电科技德清华莹电子有限公司，浙江德清313200）
【摘 要】本文设计了一种超低噪声抗干扰射频接收前端模块，主要特点是超低的噪声系数，并且内部集成滤波器，对近远端的信号干扰都有较大的抑制。超低噪声电路采用0.5μm E-PHEMT，采用超低噪声的电路结构设计。内部滤波器使用2级声表滤波器，完成近、远端抑制功能。射频接收前端模块采用表贴工艺研制，并一体化塑封。
【关键词】超低噪声抗干扰接收前端一体化塑封
1 引言
射频接收前端是接收系统的重要组成部分，用在系统的前级，对接收系统的灵敏度起重要作用。
本产品针对北斗导航系统某频段进行专业开发，主要特点是超低噪声，较好的抗干扰能力，一体化封装。我们进行了针对性的滤波器设计生产，并实现器件的互联与封装。
2 电路设计
2.1产品功能及工作原理
在北斗导航接收系统中，接收信号功率在-100dBm以下，如果不通过低噪声放大处理，信号可能会淹没在系统本身的噪声中。而且接收系统还面临各种其他通讯频率干扰，包括发射系统的泄露功率。本产品提供给接收系统前级信号放大以及抗干扰的作用。
射频前端的主要结构为：第1级低增益超低噪声放大器—>第1级宽带滤波器—>第2级高增益低噪声放大器—>第2级窄带滤波器，含馈电电路，如图1所示。
图1 电原理框图
第1级放大器主要指标是超低噪声、较低增益、兼顾输出功率和功耗。第1级滤波器滤除远端大功率干扰信号，防止后级工作饱和。第1级电路主要目的是防止模块工作饱和造成功能失效。
第2级高增益低噪声放大器主要指标是较高的增益，并兼顾噪声和功耗，选用一款单片放大器（噪声2dB，增益22dB）。第2级滤波器滤除近端无线电通讯信号干扰。第2级电路主要目的是提高模块增益以及抗干扰能力。
2.2前级超低噪声放大器设计
第1级放大器关键指标是超低噪声，对放大器的噪声进行最优化设计，在噪声最优化的情况下对驻波、平坦度、稳定性进行改善。采用以下几个措施：（1）选用合适的晶体管，使其输入阻抗接近50Ω，或易于匹配到50Ω系统。（2）输入端使用电抗匹配，最优化噪声系数。（3）选用合适的源极电感，有效改善输入驻波以及增加稳定性。（4）输出级使用合适的有损匹配，改善增益平坦度以及增加稳定性。
图2 放大器仿真拓扑结构图
图3 放大器仿真结果1
图4 放大器仿真结果2
根据性能要求，我们选用0.5μm pHEMT管进行仿真设计，经过多次仿真设计，进行了拓扑结构的优化，仿真设计结构如下，如图2所示。
仿真结果如下，如图3、图4所示。
加工样品，测试结果为：工作频率2492±4MHz，噪声0.58dB，输入输出驻波1.6，增益14.5dB，电流15mA。
2.3滤波器设计
由于电性能特点和小尺寸要求，我们采用声表滤波器的方案。
滤波器1要求损耗小，远带抑制高，我们选用了阻抗元滤波器（IEF），这种声表面波滤波器是一种梯形滤波器。这种滤波器由一组纯粹电连接的谐振器构成，虽然这些谐振器都制作在相同的基片上，但却没有声耦合。在声激发不强烈的频率处，器件相当于一个电容器网络，因此会产生衰减而形成阻带。衰减和电容比有关系，谐振器的数目越多，衰减就越大。梯形滤波器滤波优点是损耗小，1-2dB。
滤波器2要求近阻带抑制高，陡降快。我们选用了镜像耦合的DMS滤波器，为了提高矩形度，IIDT采用变指IDT，这种技术采用了一种不同的谐振方式，在两个反射栅之间的空间内有三个换能器。两个反射栅构成的谐振腔会产生一组谐振模式，换能器对称排列，这样就只对对称模式产生响应。设计的器件在反射栅的反射频带内只有两种对称模式，这样，器件就相当于一个双极滤波器。
加工样品，测试结果为：
滤波器1：工作频率2492±20MHz，插损2dB，输入输出驻波1.6，远端抑制29dB@2492±100MHz。
滤波器2：工作频率2492±4MHz，插损6dB，输入输出驻波1.8，近端抑制29dB@2492±28MHz。
2.4电磁兼容考虑
小尺寸对电磁兼容、信号泄露等都提出更高的要求。尤其是信号从空间的泄露，在小尺寸的范围内很难避免。对于有源的放大器件来说，很容易造成性能不稳定，甚至自激的可能。需要通过合理的排版、布线、电源褪耦减小空间耦合带来的不良影响。
我们采用软件对排版后的电路进行仿真设计，并加上封装层一并进行设计考虑。并通过试验来修正设计模型，得到较为可靠的仿真设计模型。
2.5产品结构和封装
本设计采用全表贴的工艺方案，元器件采用全表贴形式，可采用自动表贴工艺，工艺成熟，效率高，可靠性强，价格上也有比较明显的优势。
电路板上表面为电路图形，下表面为产品的信号输入端、信号输出端、接地端。正面电路的端口通过电路板上过孔与反面电路端口进行电连接。如图5所示。
封装采用注胶灌封的形式，将所有元器件表面封实，进行器件的表面保护，形成一个模块，反面供用户焊接使用。如图6所示。
图5 电路板示意图
图6 封装的产品图片
3 测试结果分析
按照以上设计方案，设计出的射频接收前端典型测试结果如下：
工作频率2492±4MHz，噪声0.85dB，增益28 dB，驻波1.8，电源+3V/22mA，尺寸10.3mm×7.8mm。
阻带抑制：55dBc@0.1～2400MHz；26dBc@2400～2464MHz；26dBc@2520～2600MHz；50dBc@2600～5000MHz。
本样品曾运用到接收系统中进行实验，并且在发射系统工作时，接收前端增益压缩小于0.5dB。
增益详细曲线见图7，噪声详细数据见图8。
图7 增益测试曲线
图8 噪声测试
4 结语
本文介绍的射频接收前端模块较好的处理了超低噪声、抗干扰、低功耗等综合技术指标，并解决了模块内的信号串扰等技术问题，加工制作了一个小型一体化的塑封表贴模块。
本文研制出的产品还经过了高低温试验、振动试验、电老练试验等环境试验验证，可靠性较好。
参考文献：
［1］程冰，竹卫峥，沈一鸣，范小龙.一种共电流型宽带低噪声放大器设计［J］.中国科技纵横，2016，01.
［2］雷振亚，明正峰，李磊，谢拥军.微波工程导论［M］.北京:科学出版社，2010，2-1.
［3］清华大学《微带电路》编写组编.微带电路［M］.北京:人民邮电出版社，1975:171.
［4］Niclas，K.B.，et al.，“The Matched Feedback Amplifier: Ultrawideband Microwave Amplification with GaAs MESFETs，”IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniques，Vol.28，No.4， 1980，pp. 285-294.
作者简介：王毅刚（1957—）， 男，河北献县人，中国科技德清华莹电子有限公司工程师，从事射频声表面波器件和电路设计与研究；程冰（1981—），男，安徽宁国人，中国电子科技集团公司第五十五研究所工程师，从事微波电路设计与研究；李勇（1968—），男，江苏南京人，中电科技德清华莹公司研究员级高工，从事声表面波器件和材料研究；朱卫俊（1978—），男，江苏金坛人，中电科技德清华莹电子有限公司高级工程师，从事射频声表面波器件和电路设计与研究；范小龙（1989—），男，安徽马鞍山人，中国电子科技集团公司第五十五研究所工程师，从事微波电路设计与研究。
