0 引言

    對于整機的接收系統來說，對接收信號的變頻、濾波處理一直都是其重要功能及構成。隨著半導體器件設計技術和工藝方法的日益進步，接收系統對小型化、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鍵器件，因而研制高性能、小體積濾波器也成為技術發展熱點之一^[1]。

    半導體技術的快速發展使設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計，從分析濾波器芯片的結構與特點入手，闡述其相對傳統結構的優勢以及自身結構特點，用以設計并實現了X波段寬帶四路混頻濾波通道。

1 混頻通道的結構分析

    多路混頻通道是接收模塊的組成單元，主要由大動態低噪放、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7 dBm，本振為X波段，噪聲系數常溫下不大于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。根據指標可知該通道指標特點是低噪聲、大動態、小體積、低功耗，對設計要求高，因此需要選擇合適的電路設計與器件。

2 參數分析及指標分配

    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，用于接收系統的前端RF放大，決定著系統的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，后級增益需要設計大于18 dB，混頻器前級設計增益大于38 dB，這樣保證總增益46 dB。

    鏡像抑制度的設計：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，濾波器對鏡頻的抑制需要設計大于60 dBc，這是一個較高的濾波指標要求。設計盡量考慮減少電路尺寸、降低功耗。

3 電路設計

3.1 混頻放大鏈路設計

    在混頻通道中，混頻放大鏈路是核心，其組成見圖2。

3.1.1 大動態低噪放設計

    鏈路設計的要點是低噪聲大動態，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，因此需選用大動態低噪聲的放大器。設計中綜合考慮指標，選用的放大器芯片，其噪聲系數小于3 dB，增益11～12 dB，在匹配狀態下該放大器輸入P_1dB為10 dBm，在輸出失配狀態下輸入P_1dB約為7～8 dBm。

3.1.2 預選濾波器設計

    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。

    常規結構如LC濾波器、介質濾波器、金屬腔體濾波器等雖能夠滿足指標，但無法實現足夠小的尺寸^[2]；而同為芯片結構的MMIC濾波器、FBAR濾波器，其尺寸雖小，但指標無法滿足設計要求。綜合考慮各種方案，最終選定微電子機械系統（Micro Electro Mechanical System，MEMS）硅腔濾波器芯片來實現^[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計相結合，研發的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），為三層硅片結構，經刻蝕工藝結合硅-硅鍵合工藝制備高Q值硅腔及厚金懸空硅梁諧振桿，內部結構見圖4，可實現腔體濾波器特性^[4]。

    MEMS硅腔濾波器為全屏蔽腔體設計，內部實現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：

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。

    根據式(2)調整兩諧振器間距離得到相應耦合系數，通過與式(1)耦合系數比對，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 單片集成開關設計

    預選濾波器芯片常溫下通帶損耗最大4 dB，則要求其前后級聯的8選1開關損耗小于2.5 dB。

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

3.1.4 STC及次級放大器設計

    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，設計采用兩個衰減芯片實現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數控衰減器和一個6位步進0.5 dB的低相移數控衰減器^[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≤2 dB、增益≥23 dB。

3.1.5 放大混頻電路設計

    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，其內部集成了混頻器、射頻放大器、本振放大器、雙向開關，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 中頻濾波器設計

    為了減小尺寸，中頻濾波器仍選用MEMS濾波器芯片，設計指標：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^[7]。

3.1.7 中頻放大器設計

    選用放大器芯片進行兩級放大，以便于增益調整。增益隨溫度的穩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均為15 dB。

3.2 本振電路設計

    混頻芯片需要的本振功率為0～-5 dBm，系統輸入本振信號為-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 電源和電路控制設計

    控制信號為LVTTL電平，LVTTL高電平幅度為3.3 V，輸出驅動能力比較好。PIN開關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 結構布局設計

    由于單路混頻通道要求尺寸小，對結構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、聯接以及內部分腔的影響，采用7層PCB布局，見圖9。可見，其中8段頻率預選濾波器和中頻濾波器的芯片化，降低了內部分腔、結構布局的難度，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構設計，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，濾波器矩形系數小于3，帶外抑制滿足設計要求，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。

    通過對比設計目標與實測結果可知，實際研制結果與設計值相符，并利用MEMS濾波器芯片實現了通道的小型化設計。

5 結語

    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，實現了通道的集成化、模塊化、小型化。該設計方法靈活方便，成本低，適于在接收系統的設計中推廣應用。

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）