0 引言

    對于整機的接收系統(tǒng)來說,，對接收信號的變頻、濾波處理一直都是其重要功能及構(gòu)成,。隨著半導(dǎo)體器件設(shè)計技術(shù)和工藝方法的日益進步,，接收系統(tǒng)對小型化,、模塊化、集成化的需求日益迫切,，接收模塊單路混頻通道中的濾波器是其關(guān)鍵器件,，因而研制高性能、小體積濾波器也成為技術(shù)發(fā)展熱點之一^[1],。

    半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展使設(shè)計能夠滿足單路混頻通道要求的濾波器芯片成為可能,。小尺寸、低損耗,、高抑制是濾波器芯片實現(xiàn)的難點,。本文利用MEMS濾波器芯片進行四路混頻通道小型化設(shè)計，從分析濾波器芯片的結(jié)構(gòu)與特點入手,，闡述其相對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢以及自身結(jié)構(gòu)特點,，用以設(shè)計并實現(xiàn)了X波段寬帶四路混頻濾波通道。

1 混頻通道的結(jié)構(gòu)分析

    多路混頻通道是接收模塊的組成單元,，主要由大動態(tài)低噪放,、8段頻率預(yù)選（濾波）、6位STC,、混頻,、中放、中頻濾波及本振功分組成,，如圖1所示,。

    該混頻通道要求帶外輸入動態(tài)7 dBm，本振為X波段,，噪聲系數(shù)常溫下不大于5.1 dB,，增益為46 dB，中頻為L波段,，中頻帶寬不小于150 MHz，中頻帶外抑制不小于40 dBc,，鏡頻抑制不小于55 dBc,，外形尺寸小于150 mm×75 mm×11 mm。根據(jù)指標(biāo)可知該通道指標(biāo)特點是低噪聲,、大動態(tài)、小體積,、低功耗,，對設(shè)計要求高，因此需要選擇合適的電路設(shè)計與器件,。

2 參數(shù)分析及指標(biāo)分配

    如圖1所示，混頻通道是由LNA,、預(yù)選濾波器,、數(shù)控衰減器和混頻中放,、中頻濾波器等電路組成,，用于接收系統(tǒng)的前端RF放大，決定著系統(tǒng)的RF濾波特性及噪聲等指標(biāo),。

    增益分配：一般混頻器的輸入P_1dB為10 dBm，輸出P_1dB為0～2 dBm左右,，指標(biāo)要求模塊輸出P_1dB大于16 dBm，則要求后級放大增益要大于16 dB,，為了保證混頻器雜波抑制，保證混頻器的工作線性,，后級增益需要設(shè)計大于18 dB，混頻器前級設(shè)計增益大于38 dB,，這樣保證總增益46 dB,。

    鏡像抑制度的設(shè)計：鏡頻抑制大于55 dBc的要求,，鏡頻抑制靠混頻器前的分段濾波器實現(xiàn)，濾波器對鏡頻的抑制需要設(shè)計大于60 dBc,，這是一個較高的濾波指標(biāo)要求,。設(shè)計盡量考慮減少電路尺寸、降低功耗,。

3 電路設(shè)計

3.1 混頻放大鏈路設(shè)計

    在混頻通道中，混頻放大鏈路是核心,，其組成見圖2,。

3.1.1 大動態(tài)低噪放設(shè)計

    鏈路設(shè)計的要點是低噪聲大動態(tài),，為了減小體積，元器件的選用盡可能考慮芯片化,。

    由于要求輸入帶外7 dBm信號時模塊能正常工作，且在濾波器帶外,，放大器輸出端處于失配狀態(tài),，因此需選用大動態(tài)低噪聲的放大器,。設(shè)計中綜合考慮指標(biāo),，選用的放大器芯片,，其噪聲系數(shù)小于3 dB,，增益11～12 dB,，在匹配狀態(tài)下該放大器輸入P_1dB為10 dBm，在輸出失配狀態(tài)下輸入P_1dB約為7～8 dBm,。

3.1.2 預(yù)選濾波器設(shè)計

    由于前級放大器只能提供11～12 dB的增益,，而指標(biāo)要求單路混頻通道的噪聲系數(shù)常溫下不大于5.1 dB,，這就要求其后的預(yù)選濾波器具有低損耗,，應(yīng)小于4 dB,，否則會較大影響噪聲特性,。此外,，濾波器需對鏡頻抑制達到60 dBc，指標(biāo)要求很高,。

    由于混頻通道的尺寸要求較小,，而其中包括8種頻率預(yù)選濾波器,，因此在保證濾波指標(biāo)的同時預(yù)選濾波器的體積必須盡可能小,，長度不應(yīng)大于7 mm,，寬度不應(yīng)大于4.5 mm,。

    常規(guī)結(jié)構(gòu)如LC濾波器,、介質(zhì)濾波器,、金屬腔體濾波器等雖能夠滿足指標(biāo),，但無法實現(xiàn)足夠小的尺寸^[2]；而同為芯片結(jié)構(gòu)的MMIC濾波器,、FBAR濾波器，其尺寸雖小，但指標(biāo)無法滿足設(shè)計要求,。綜合考慮各種方案,，最終選定微電子機械系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System,，MEMS）硅腔濾波器芯片來實現(xiàn)^[3],。

    由硅片采用光刻和各向異性刻蝕及ICP刻蝕工藝制造而成,，將MEMS獨有的特殊工藝與濾波器設(shè)計相結(jié)合,，研發(fā)的MEMS濾波器具有尺寸小,、性能好、重量輕、可靠性高等特點,。MEMS硅腔濾波器采用MEMS體硅三明治工藝（見圖3）,，為三層硅片結(jié)構(gòu)，經(jīng)刻蝕工藝結(jié)合硅-硅鍵合工藝制備高Q值硅腔及厚金懸空硅梁諧振桿,，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖4,，可實現(xiàn)腔體濾波器特性^[4]。

    MEMS硅腔濾波器為全屏蔽腔體設(shè)計,，內(nèi)部實現(xiàn)TEM諧振,，主要性能與金屬腔體濾波器相當(dāng)，但體積僅是其1/550,，重量是其1/350,。

    預(yù)選濾波器要求1 dB帶寬≥600 MHz，中心插損≤4 dB,，在距離中心頻率900 MHz處的帶外抑制≥43 dBc,，遠端抑制≥60 dBc。我們最終采用6階交指MEMS硅腔濾波器,，原理圖如圖5所示,。

    通過歸一化低通模型得到濾波器各諧振桿間耦合系數(shù)：

Ki，i+1=FBW/■(1)

    式(2)中f_i是第i個諧振器本征頻率,，f_i+1為第i+1個諧振器本征頻率,。

    根據(jù)式(2)調(diào)整兩諧振器間距離得到相應(yīng)耦合系數(shù)，通過與式(1)耦合系數(shù)比對,，最終得到各個諧振器間距離,，完成MEMS硅腔濾波器三維仿真模型的搭建,，見圖6,。

    通過以上設(shè)計,，8種頻率MEMS硅腔濾波器芯片尺寸為7 mm×3.5 mm×0.8 mm,，典型仿真曲線見圖7所示,。

    從仿真曲線可見,，8種頻率預(yù)選濾波器芯片的常溫下通帶損耗最大3.2 dB,，鏡頻距離濾波器芯片中心頻率較遠,，對鏡頻抑制大于60 dBc,。

3.1.3 單片集成開關(guān)設(shè)計

    預(yù)選濾波器芯片常溫下通帶損耗最大4 dB，則要求其前后級聯(lián)的8選1開關(guān)損耗小于2.5 dB,。

    GaAs MMIC單片開關(guān)雖然開關(guān)速度快,，功耗小，但MMIC集成下的X波段SP8T開關(guān)很少,，且插損大，隔離度低,。一般設(shè)計用一個SPDT開關(guān)級聯(lián)2個SP4T開關(guān)組合成SP8T開關(guān),，但其在X波段插損為3～3.5 dB,，不能滿足設(shè)計要求，因此選擇GaAs PIN開關(guān)芯片來實現(xiàn)^[5],，所選芯片開關(guān)插損最大值為0.6 dB，兩個單刀四擲開關(guān)插損最大值為0.8 GHz,，故組合而成的SP8T開關(guān)預(yù)計插損均為2.2 dB,，隔離度大于40 dB,，開關(guān)速度30 ns，滿足設(shè)計要求,。

3.1.4 STC及次級放大器設(shè)計

    STC衰減量要求大于55 dB,，單個衰減芯片無法滿足大衰減量要求，設(shè)計采用兩個衰減芯片實現(xiàn)STC,，STC衰減器要求插損盡量小,，衰減引起的相移盡可能小,，因此選用一個1位30 dB數(shù)控衰減器和一個6位步進0.5 dB的低相移數(shù)控衰減器^[6],。

    位于兩STC之間的放大器作為次級放大器,，選用低噪聲放大器,，噪聲系數(shù)≤2 dB,、增益≥23 dB。

3.1.5 放大混頻電路設(shè)計

    為了減小體積,，放大混頻電路采用X波段多功能復(fù)合芯片來實現(xiàn),，其內(nèi)部集成了混頻器、射頻放大器,、本振放大器,、雙向開關(guān)，上/下變頻增益約11 dB,，下變頻本振到中頻隔離度≥10 dB,，下變頻本振到射頻隔離度≥5 dB。

3.1.6 中頻濾波器設(shè)計

    為了減小尺寸,，中頻濾波器仍選用MEMS濾波器芯片,，設(shè)計指標(biāo)：帶寬≥160 MHz，中心插損≤5 dB,，帶外抑制≥15 dBc@帶外低端,，≥40 dBc@帶外遠端，尺寸為8 mm×4.5 mm×0.8 mm,。

    在中頻附近寬帶范圍內(nèi)進行ADS仿真,，如圖8。

    可見,，受濾波器插損影響,，在中頻附近處存在負增益，但是仍處于可控范圍內(nèi)^[7],。

3.1.7 中頻放大器設(shè)計

    選用放大器芯片進行兩級放大,，以便于增益調(diào)整。增益隨溫度的穩(wěn)定性需要通過溫補衰減器來補償,，溫補衰減器加在中頻放大器之間,。抵消掉中頻濾波器的損耗和溫補衰減器損耗。中頻增益設(shè)計為18 dB,。單級放大器在中頻附近增益為14.5 dB,、輸入和輸出反射系數(shù)均為15 dB。

3.2 本振電路設(shè)計

    混頻芯片需要的本振功率為0～-5 dBm,，系統(tǒng)輸入本振信號為-10 dBm,，因此使用一個放大器加在本振信號輸入端即可^[7]。由于混頻芯片內(nèi)部集成了射頻放大器和本振放大器,，射頻到本振端的隔離為40 dB,，功分器的隔離度為20 dB，放大器反向隔離大于20 dB,，從而可以保證射頻信號通過本振的泄露大于60 dB,，從而保證通道之間隔離,。

3.3 電源和電路控制設(shè)計

    控制信號為LVTTL電平，LVTTL高電平幅度為3.3 V,，輸出驅(qū)動能力比較好,。PIN開關(guān)的控制電路也選用芯片器件，使模塊所用器件均為芯片器件,，大大減小模塊尺寸,。

3.5 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

    由于單路混頻通道要求尺寸小，對結(jié)構(gòu)和布局提出了較高要求,，因此綜合考慮了各部分功能電路分區(qū),、聯(lián)接以及內(nèi)部分腔的影響，采用7層PCB布局,，見圖9,。可見,，其中8段頻率預(yù)選濾波器和中頻濾波器的芯片化,，降低了內(nèi)部分腔、結(jié)構(gòu)布局的難度,，使通道的小型化成為可能,。

4 混頻通道的測試

    采用以上的電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計,，研制出X波段混頻通道,，實物照片及實測曲線如圖10所示，尺寸為148 mm×75 mm×11 mm,，達到設(shè)計目標(biāo),。

    實際測試了X波段四路混頻通道的各項指標(biāo)，噪聲系數(shù)常溫下小于4.5 dB,，增益約為44～46 dB,，增益平坦度滿足要求，濾波器矩形系數(shù)小于3,，帶外抑制滿足設(shè)計要求,，鏡頻抑制大于60 dBc，中頻帶寬約為160 MHz,，中頻帶外抑制大于45 dBc,。

    通過對比設(shè)計目標(biāo)與實測結(jié)果可知，實際研制結(jié)果與設(shè)計值相符,，并利用MEMS濾波器芯片實現(xiàn)了通道的小型化設(shè)計,。

5 結(jié)語

    本文從混頻通道的指標(biāo)和尺寸需求入手，利用MEMS濾波器芯片進行小型化設(shè)計,，可將該類混頻通道的體積做到更小,，且具有Q值高的特點,，保證了優(yōu)良的電路性能^[8]。

    基于濾波器芯片的采用,，通過合理的指標(biāo)分配,，將各功能電路在緊湊的小體積通道內(nèi)，實現(xiàn)了通道的集成化,、模塊化,、小型化。該設(shè)計方法靈活方便,，成本低,，適于在接收系統(tǒng)的設(shè)計中推廣應(yīng)用。

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作者信息：

劉博源，徐  軍

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院,，四川 成都610054）