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)指標可知該通道指標特點是低噪聲、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)分析及指標分配

    如圖1所示，混頻通道是由LNA、預選濾波器、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。

    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，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，這就要求其后的預選濾波器具有低損耗，應小于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種頻率預選濾波器，因此在保證濾波指標的同時預選濾波器的體積必須盡可能小，長度不應大于7 mm，寬度不應大于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，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，但體積僅是其1/550，重量是其1/350。

    預選濾波器要求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：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?？梢姡渲?段頻率預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。

    實際測試了X波段四路混頻通道的各項指標，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)計中推廣應用。

參考文獻

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作者信息：

劉博源，徐  軍

（電子科技大學 物理電子學院，四川 成都610054）