1、引言

手持式测量仪器是现代测量仪器家族中的重要一员，具有体积小、重量轻和可采用电池供电等特点,特别适合环境比较特殊、复杂的现场测试。随着现代集成电路技术、新型电子材料技术和微组装互联工艺技术的快速发展，手持式测量仪器在测量频段、测量准确度和功能等方面有了很大的提高，其性能特性在某种程度上已接近或达到台式仪器的水平，而其在体积、重量和使用方便性等方面的优点也更加突出。微波接收机前端组件作为其核心部件，承担着开关预选、频谱搬移及放大滤波等功能，其宽带特性，特别是镜频抑制、输入压缩点、噪声系数等技术指标的设计实现，是研制前端组件的难点，而小型化、集成化的趋势也使得各种高频寄生对信号传输的影响变得更加复杂，对前端组件的设计提出了更高的要求。本文给出了一种用于高性能手持式频谱分析仪的100kHz～20GHz前端组件的设计过程和测试结果。

2、设计过程

A．原理简介

相对于传统台式仪器，手持式频谱分析仪从体积和功耗方面考虑，放弃YIG（Yttrium-Iron-Garnet）预选器而采用了开关分段滤波的方式。本文设计的接收机前端组件原理框图如图1所示，100kHz～20GHz射频信号首先通过开关双工电路分为100kHz～5.3GHz和5.3GHz～20GHz两个频段，低频段100kHz～5.3GHz通路经过限幅保护、直通或低噪放选择、低通滤波后输入混频器；高频段5.3GHz～20GHz信号共分成七个频段进行开关选择、带通滤波，最后合为两个频段分别进行混频。

5GHz～12GHz扫频本振信号经过开关、放大、倍频滤波等处理后产生三路本振信号，分别为三个混频器提供本振驱动。3205MHz固定点频信号经过开关、分频、放大、倍频等处理后，产生与各频段对应的第二本振信号输入第二混频器，分别与经过滤波、放大处理后的中频信号混频产生140MHz第二中频信号，最后通过开关合为一路，低通滤波后输出。

100kHz～20GHz微波接收机前端组件设计中利用微波混合集成技术，集成了多个开关、滤波器、放大器、混频器和倍频器等功能电路，将传统台式仪器中多个分离的微波整部件集成在一个模块中，有效缩减了体积，实现了全频段信号的滤波预选、混频放大。由于前端组件功能复杂，各级射频、本振、中频信号之间交叉走线不可避免，设计中利用屏蔽效果的半刚电缆，采用穿墙垂直互联技术，从模块的背面进行信号的互联，有效地避免了各个频段间信号的相互串扰。

B．开关双工电路设计

开关双工电路位于接收机前端组件的最前端，通过偏置电压控制开关将输入的100kHz～20GHz信号分为100kHz～5.3GHz和5.3GHz～20GHz两个频段，要求开关电路插入损耗小，并具备防静电、耐高压、抗高功率烧毁等能力。根据设计需要选用了并联形式的PIN开关电路，此类电路拥有比较理想的开关特性，具有承受功率大、插入损耗小、抗静电烧毁能力强等特点。在并联型PIN开关电路中，PIN管呈高阻抗对应开关导通状态，信号沿传输线传输；PIN管呈低阻抗对应开关关断,信号被短接到地。一般而言，并联电路有利于减小开关导通时的插入衰减，并且并联式开关中的PIN管易获得较好的散热条件，可应用于控制较大的微波功率。

具体设计时将PIN开关电路和高低阻抗线构成滤波电路结合设计，建立模型利用ANSOFT公司Serenade电路仿真软件进行优化仿真。首先对构成滤波器的微带高低阻抗线进行优化设计，然后加入PIN开关管以及偏置电路的模型进行仿真，具体仿真原理图见图2。电路选用了两组M/A-COM公司的MA4GP030-277台式PIN二级管，基板材料选用厚度为0.254mm的陶瓷片，优化后低频段直通高频段隔离的仿真曲线见图3，高频段直通低频段隔离的仿真曲线见图4，其中100kHz～20GHz射频输入端口为端口1，5.3GHz～20GHz通道为端口2，100kHz～5.3GHz为端口3。低频段直通状态插入损耗小于2.2dB，高频段直通状态插入损耗小于3dB,隔离度优于30dB。

C．分段滤波电路设计

对宽频带超外差接收机前端组件而言，在理想情况下，单边带应用时它的噪声系数约为双边带应用的噪声系数的两倍，即接收机在单边带应用时体现出的噪声系数要比用宽频带噪声源测出的接收机噪声系数高约3dB。出于对镜像频率抑制的考虑，通常在宽频带接收机前端增加镜频抑制滤波器。假定滤波器在信号频带内理想匹配，呈现纯电阻性，其插入损耗值为L，并且滤波器在镜像频带具有足够高的抑制度，近似全反射，此时理想单边带噪声系数近似为2LFDSB，即比不加滤波器时恶化约L倍。

从体积和功耗方面考虑，手持式频谱分析仪采用开关分段滤波的方式，来实现全频段的镜频及杂波抑制。分段滤波电路的插入损耗L、带外抑制直接影响组件的噪声系数和镜频抑制等关键指标，是前端组件的关键电路之一。常用的微带带通滤波器形式有交指线、梳状线、发夹线和平行耦合线，这些抽头线形式的滤波器在实现输入、输出节的平行耦合方面有较大的灵活性，并具有体积较小的优点，目前尚缺乏抽头线式微带带通滤波器的精确设计公式，一般通过优化、仿真等试验途径设计。

如图1所示，5.3GHz～20GHz频段共分成7段进行开关选择和带通滤波，该部分电路中带通滤波器的具体设计依据通带频率、相对带宽和阻带抑制等要求，选择相应的滤波器类型和阶数，并利用ANSOFT公司Serenade电路仿真软件对设计电路进行仿真优化。根据设计经验对优化参数进行限定，可以有效缩减优化时间。优化完成后利用ANSOFT公司Ensemble两维半微波仿真软件进行验证，并进行适当修正。

平面电路由于存在空间能量串扰，高频抑制度难以做的很高，实际设计中应考虑屏蔽腔设计，用来抑制空间能量串扰，并在部分频段设计中进一步增加低通滤波电路，抑制对应频段带通滤波器的寄生通带，加强滤波电路对镜频和串扰信号的抑制。相对于交指线、梳状线形式的微带带通滤波器，发夹线和平行耦合线形式不需要加工接地孔，不会因接地孔的位置或直径偏差而影响滤波器的性能，具有更好的加工批次一致性。根据通带频率，前端组件中4个较低频段采用了发夹线形式，较高的3个频段采用了平行耦合线形式的带通滤波器。基板材料选用了Rogers公司厚度为10mil的5880高频复合板材，其介电常数Er约为2.2，具有良好的高频特性；相对于其它高介电常数的材料，如陶瓷片、石英片等，在相同指标要求前提下，设计实现的微带线较宽，降低了对微带电路加工精度的要求，便于生产，从设计上保证滤波电路具有更好的性能指标、可生产性和批次一致性。

以13GHz～16.5GHz带通滤波器为例，其结构示意图见图5。图6是利用ANSOFT公司Ensemble两维半微波仿真软件获得的仿真曲线，仿真结果表明设计的13GHz～16.5GHz带通滤波器带内回波损耗约为9dB，带外抑制优于66dB。设计完成的13GHz～16.5GHz带通滤波器最细带线宽度为0.178mm，最小缝隙为0.084mm，目前的微带制作工艺可以保证这个量级尺寸的加工精度和批次一致性。试制各级带通滤波电路，并利用测试夹具进行了测试确认。图7是13GHz～16.5GHz带通滤波器测试曲线，其通带频率与仿真结果一致；扣除夹具插入损耗后，带通滤波器插入损耗优于4dB，因为是开腔测试，频率带外抑制的测试结果只能作为定性参考，前端组件最终测试镜频抑制优于65dB。

分段开关滤波电路设计时，应选用低插入损耗、高通道隔离的单刀多掷开关，避免因开关隔离度不够而导致通道隔离度变差，进而影响镜频及串扰信号的抑制度，必要时应增加单刀单掷开关。

3、测试结果

宽频带微波接收机前端组件的设计是一个相对复杂的工程，需要综合考虑组件的噪声系数、镜频及杂波抑制、输入功率压缩点、变频损耗平坦度等多项技术指标。在前文设计方案、优化仿真的基础上，进行了器件优选、电路布局和结构设计，最终实现的100kHz～20GHz前端组件实物照片如图8所示，全频段变频损耗的测试曲线如图9所示。

目前，100kHz～20GHz微波接收机前端组件已生产200多套，可生产性和质量一致性较好。利用该组件实现的某手持式频谱分析仪，低噪放关时全频段显示平均噪声电平典型值优于-140dBm。