文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.013
中文引用格式: 劉博源,,徐軍. 基于MEMS濾波器芯片的X波段混頻通道設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,,43(6):52-55,,59.
英文引用格式: Liu Boyuan,Xu Jun. Design and implementation of X-band single road′s frequency mixer channel based on MEMS filter[J].Application of Electronic Technique,,2017,,43(6):52-55,59.
0 引言
對(duì)于整機(jī)的接收系統(tǒng)來(lái)說,對(duì)接收信號(hào)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(jì)技術(shù)和工藝方法的日益進(jìn)步,接收系統(tǒng)對(duì)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(diǎn)之一[1],。
半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展使設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的難點(diǎn),。本文利用MEMS濾波器芯片進(jìn)行四路混頻通道小型化設(shè)計(jì),,從分析濾波器芯片的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)入手,闡述其相對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)以及自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),,用以設(shè)計(jì)并實(shí)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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)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(diǎn)是低噪聲,、大動(dòng)態(tài)、小體積,、低功耗,,對(duì)設(shè)計(jì)要求高,因此需要選擇合適的電路設(shè)計(jì)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P1dB為10 dBm,輸出P1dB為0~2 dBm左右,,指標(biāo)要求模塊輸出P1dB大于16 dBm,,則要求后級(jí)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(jí)增益需要設(shè)計(jì)大于18 dB,,混頻器前級(jí)設(shè)計(jì)增益大于38 dB,這樣保證總增益46 dB,。
鏡像抑制度的設(shè)計(jì):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(shí)現(xiàn),濾波器對(duì)鏡頻的抑制需要設(shè)計(jì)大于60 dBc,,這是一個(gè)較高的濾波指標(biāo)要求,。設(shè)計(jì)盡量考慮減少電路尺寸、降低功耗,。
3 電路設(shè)計(jì)
3.1 混頻放大鏈路設(shè)計(jì)
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(dòng)態(tài)低噪放設(shè)計(jì)
鏈路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是低噪聲大動(dòng)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(hào)時(shí)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(dòng)態(tài)低噪聲的放大器,。設(shè)計(jì)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P1dB為10 dBm,,在輸出失配狀態(tài)下輸入P1dB約為7~8 dBm,。
3.1.2 預(yù)選濾波器設(shè)計(jì)
由于前級(jí)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(huì)較大影響噪聲特性,。此外,,濾波器需對(duì)鏡頻抑制達(dá)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(shí)預(yù)選濾波器的體積必須盡可能小,,長(zhǎng)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(wú)法實(shí)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(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求,。綜合考慮各種方案,最終選定微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System,,MEMS)硅腔濾波器芯片來(lái)實(shí)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(dú)有的特殊工藝與濾波器設(shè)計(jì)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(diǎn),。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(shí)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(jì),,內(nèi)部實(shí)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(yuǎn)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fi是第i個(gè)諧振器本征頻率,,fi+1為第i+1個(gè)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(duì),,最終得到各個(gè)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(jì),,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(yuǎn),,對(duì)鏡頻抑制大于60 dBc,。
3.1.3 單片集成開關(guān)設(shè)計(jì)
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(jí)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(jì)用一個(gè)SPDT開關(guān)級(jí)聯(lián)2個(gè)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(jì)要求,因此選擇GaAs PIN開關(guān)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)[5],,所選芯片開關(guān)插損最大值為0.6 dB,,兩個(gè)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(jì)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(jì)要求,。
3.1.4 STC及次級(jí)放大器設(shè)計(jì)
STC衰減量要求大于55 dB,,單個(gè)衰減芯片無(wú)法滿足大衰減量要求,設(shè)計(jì)采用兩個(gè)衰減芯片實(shí)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(gè)1位30 dB數(shù)控衰減器和一個(gè)6位步進(jìn)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(jí)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(jì)
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(lái)實(shí)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(jì)
為了減小尺寸,中頻濾波器仍選用MEMS濾波器芯片,,設(shè)計(jì)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(yuǎn)端,,尺寸為8 mm×4.5 mm×0.8 mm。
在中頻附近寬帶范圍內(nèi)進(jìn)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(fù)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(jì)
選用放大器芯片進(jìn)行兩級(jí)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(bǔ)衰減器來(lái)補(bǔ)償,溫補(bǔ)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(bǔ)衰減器損耗,。中頻增益設(shè)計(jì)為18 dB。單級(jí)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(jì)
混頻芯片需要的本振功率為0~-5 dBm,系統(tǒng)輸入本振信號(hào)為-10 dBm,,因此使用一個(gè)放大器加在本振信號(hào)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(hào)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(jì)
控制信號(hào)為L(zhǎng)VTTL電平,LVTTL高電平幅度為3.3 V,,輸出驅(qū)動(dòng)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(jì)
由于單路混頻通道要求尺寸小,,對(duì)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,??梢姡渲?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(cè)試
采用以上的電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,研制出X波段混頻通道,實(shí)物照片及實(shí)測(cè)曲線如圖10所示,,尺寸為148 mm×75 mm×11 mm,,達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。
實(shí)際測(cè)試了X波段四路混頻通道的各項(xiàng)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(jì)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(duì)比設(shè)計(jì)目標(biāo)與實(shí)測(cè)結(jié)果可知,,實(shí)際研制結(jié)果與設(shè)計(jì)值相符,,并利用MEMS濾波器芯片實(shí)現(xiàn)了通道的小型化設(shè)計(jì)。
5 結(jié)語(yǔ)
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(jìn)行小型化設(shè)計(jì),,可將該類混頻通道的體積做到更小,且具有Q值高的特點(diǎn),,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(shí)現(xiàn)了通道的集成化,、模塊化、小型化,。該設(shè)計(jì)方法靈活方便,,成本低,適于在接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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)