【導(dǎo)讀】在射頻超外差接收機(jī)中，下變頻器是一種常用的功能組件，主要用于射頻信號(hào)的偵測(cè)接收。針對(duì) 6 ～18 GHz 頻段，提出一種下變頻器的設(shè)計(jì)方案。下變頻器采用混合集成電路工藝，中頻處理帶寬1 GHz，噪聲系數(shù)優(yōu)于6 dB，幅度一致性?xún)?yōu)于±2 dB，相位一致性?xún)?yōu)于±15°，無(wú)虛假動(dòng)態(tài)范圍大于50 dB。組件內(nèi)部采用多功能芯片和 MEMS濾波器組，內(nèi)置多級(jí)數(shù)控衰減和數(shù)控移相器。下變頻器具有頻段寬、體積小、集成度高、易于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。
引言
下變頻器是接收系統(tǒng)中的核心部件，接收系統(tǒng)需要把高頻信號(hào)用下變頻器轉(zhuǎn)換到低頻，便于后級(jí)進(jìn)行信號(hào)處理。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，單片微波集成電路(MMIC) 突破傳統(tǒng)的混合微波集成電路(MIC)快速發(fā)展起來(lái)。MMIC 芯片尺寸小，寄生參數(shù)少，具有優(yōu)秀的高頻性能。MMIC 芯片的大規(guī)模運(yùn)用已成為微波組件小型化的重要途徑之一 。變頻器也向著小型化、高集成、低成本的方向發(fā)展。
本文介紹一種高幅相一致6 ～18 GHz 下變頻器的設(shè)計(jì)方案和測(cè)試結(jié)果，該組件采用毫米波變頻方案，幅度和相位都可以數(shù)控調(diào)節(jié)。組件的噪聲系數(shù)優(yōu)于 6 dB，無(wú)虛假動(dòng)態(tài)范圍大于 50 dB，組件之間幅度一致性?xún)?yōu)于±2 dB，相位一致性?xún)?yōu)于±15°。組件內(nèi)部采用多功能芯片，多功能芯片集成了混頻器、倍頻器、低噪聲放大器以及開(kāi)關(guān)。本組件體積小，集成度高，調(diào)試簡(jiǎn)單，可以滿(mǎn)足工程應(yīng)用的需求。
1 下變頻器方案設(shè)計(jì)
寬帶下變頻器設(shè)計(jì)要點(diǎn)是在確保噪聲系數(shù)的基礎(chǔ)上，避免帶內(nèi)及近邊帶雜散和虛假信號(hào)的產(chǎn)生。根據(jù)下變頻的原理，一個(gè)變頻器的雜散水平主要取決于以下兩點(diǎn):
①射頻帶寬和中頻頻率的比值;
②射頻相對(duì)帶寬。具體來(lái)說(shuō)，射頻濾波器組的通道帶寬應(yīng)盡可能窄，并且要盡量提高中頻的頻率。
下變頻器的噪聲系數(shù)主要取決于射頻前端的增益，較高的前端增益有利于改善噪聲系數(shù); 但是前端增益越大，進(jìn)入混頻器的信號(hào)功率也會(huì)增大，容易引起雜散和虛假指標(biāo)的惡化。在本方案里，可以根據(jù)射頻頻率碼來(lái)統(tǒng)籌設(shè)置射頻和中頻的衰減值;即總增益保持一定的情況下，在噪聲系數(shù)、虛假和雜散指標(biāo)之間尋求一個(gè)最佳平衡。
本方案中，考慮到成本和體積，6 ～18 GHz 射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)濾波器組劃分為 8 個(gè)通道。如圖 1 所示，變頻選擇毫米波本振方案，先將6 ～18 GHz 變頻至 20 GHz 以上的高中頻(HIF1 和 HIF2)，再下變頻到低中頻。為確保第一次變頻后的射頻二次諧波不落進(jìn)帶內(nèi)，6 ～12． 5 GHz 和 11． 5 ～18 GHz 分別變換至 27 GHz(HIF1)和 21 GHz(HIF2)高中頻，對(duì)應(yīng)的一本振 LO1 頻率為 33 ～39 GHz。第二次變頻選擇兩個(gè)點(diǎn)頻作為二本振 LO2，最終獲得 1． 8 GHz 中頻，瞬時(shí)處理帶寬為 1 GHz。本方案中，所有的頻率都不超過(guò) 40 GHz，以目前的器件水平都比較易于實(shí)現(xiàn)。
圖 1 變頻方案
一次混頻雜散計(jì)算如圖 2 所示，其中 m 和 n 分別表示射頻和本振的階數(shù)。可以看出，帶內(nèi)及近邊帶沒(méi)有小于 3 階的低階雜散。
圖 2 一次混頻雜散分布
二次混頻雜散如圖 3 所示，只有中頻的二次諧波和三次諧波組合會(huì)落入近邊帶，混頻器對(duì)這些高階組合的抑制度可以確保虛假和雜散指標(biāo)。
圖 3 二次混頻雜散分布
上述論證分析表明該變頻方案有效地避開(kāi)了帶內(nèi)低次雜散。
2 具體電路實(shí)現(xiàn)
電路劃分為三部分:射頻前端，變頻電路，中頻電路。下面分別介紹這三部分的電路細(xì)節(jié)。
2.1 射頻前端
射頻前端部分由低噪聲放大器、數(shù)控衰減器以及 MEMS 開(kāi)關(guān)濾波網(wǎng)絡(luò)組成，如圖 4 所示。兩級(jí)數(shù)控衰減器，可以將 40 dB 線性動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展為 75 dB全局動(dòng)態(tài)范圍。射頻前端的設(shè)計(jì)增益為 14 dB，噪聲系數(shù)為 4 dB，輸入 1 dB 壓縮點(diǎn)為－16 dBm。這里的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量提高射頻前端的 1 dB 壓縮點(diǎn)，以減小多信號(hào)交調(diào)，提高系統(tǒng)對(duì)多信號(hào)的線性處理能力。
圖 4 射頻前端電路
2.2 變頻單元
變頻 單 元 主 要 由 兩 級(jí) 多 功 能 芯 片 CHIP1、CHIP2 和兩路濾波器組成，如圖 5 所示。第一級(jí)多功能芯片 CHIP1 集成了混頻器、倍頻器、單刀雙擲開(kāi)關(guān)、帶通濾波器以及放大器。第二級(jí)多功能芯片CHIP2 集成了混頻器、單刀雙擲開(kāi)關(guān)、移相器以及本振驅(qū)動(dòng)放大器。二本振設(shè)置的移相器用來(lái)對(duì)同批次不同模塊之間的相位差進(jìn)行移相補(bǔ)償，以確保模塊之間的相位一致性。如圖 4 所示，電路在混頻前設(shè)置了數(shù)控衰減器 A，能夠調(diào)節(jié)進(jìn)入變頻的信號(hào)功率。變頻單元設(shè)計(jì)增益為－8 dB，噪聲系數(shù)為 11 dB。
圖 5 變頻單元電路
2.3 中頻電路
中頻電路如圖 6 所示。中頻電路主要用來(lái)補(bǔ)償增益、濾除雜散信號(hào)，并通過(guò)均衡器來(lái)調(diào)節(jié)中頻帶寬內(nèi)的增益平坦度。數(shù)控衰減器 B 可以和數(shù)控衰減器 A 根據(jù)頻率控制碼進(jìn)行聯(lián)合作用。數(shù)控衰減器 C用來(lái)配合溫度傳感器精確補(bǔ)償增益在環(huán)境溫度下的變化，也可以用來(lái)調(diào)節(jié)不同模塊之間的幅度一致性。中頻電路的設(shè)計(jì)增益為 28 dB，噪聲系數(shù)為 4 dB。
圖 6 中頻電路
根據(jù)上面的設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)級(jí)聯(lián)后的系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行了仿真計(jì)算。系統(tǒng)總增益為 34 dB，噪聲系數(shù)為5． 25 dB，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。
3 幅相一致性的調(diào)控措施
作為本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)，幅度一致性是指組件個(gè)體之間對(duì)應(yīng)于同一個(gè)射頻頻點(diǎn)(等功率輸入)的中頻輸出功率一致性，相位一致性是指組件個(gè)體之間對(duì)應(yīng)于同一個(gè)射頻頻點(diǎn)(等相位輸入)的中頻相位的一致性。由于射頻頻率被開(kāi)關(guān)濾波器組劃分為8 段，所以從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，幅相一致性對(duì)應(yīng)于 8 個(gè)射頻頻段的相位一致性。
幅相一致性設(shè)計(jì)主要靠以下幾點(diǎn)來(lái)保證:
①射頻鏈路中的通用器件(MMIC 芯片)需要采購(gòu)?fù)慌萎a(chǎn)品;
②定制器件(MEMS 濾波器、LC 濾波器、腔體濾波器等)需要滿(mǎn)足幅度和相位一致性指標(biāo);
③裝配工藝中，所有裝配位置都由制造工藝來(lái)定位，而非手工定位。
考慮到工程實(shí)際中幅度和相位的差值積累，電路調(diào)試手段不可缺少，本組件中設(shè)置有如下措施來(lái)調(diào)節(jié)模塊之間的幅相一致性:
①在 LO2 鏈路上設(shè)置移相器，用于整體搬移對(duì)應(yīng)的濾波器頻段的相位。因?yàn)?LO2 是點(diǎn)頻，對(duì)點(diǎn)頻移相不用考慮頻段內(nèi)的相位平坦度。移相器的默認(rèn)初始移相值為 90°，方便對(duì)相位的上下移動(dòng)調(diào)節(jié)。
②在中頻設(shè)置低相移數(shù)控衰減器，用于調(diào)節(jié)各頻段的幅度一致性。低相移的特性可以確保小幅度(≤3 dB)的校正對(duì)相位的影響微乎其微(≤2°)。
4 實(shí)物及測(cè)試結(jié)果
圖 7 為變頻單元測(cè)試板，兩級(jí)變頻芯片之間采用基片集成波導(dǎo)(SIW)濾波器。
圖 7 變頻單元測(cè)試板
變頻器的實(shí)物尺寸為 130 mm×80 mm×20 mm，如圖 8 所示。
圖 8 下變頻器實(shí)物圖
同批次模塊測(cè)試結(jié)果(除幅相一致性指標(biāo)外)見(jiàn)表 1，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。
表 1 測(cè)試指標(biāo)與設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)照表
同批次模塊的相位一致性測(cè)試曲線如圖 9 所示，自上而下依次為 8 個(gè)射頻通道的相位一致性測(cè)試曲線，可以看出，相位差值均在 20°以?xún)?nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)(優(yōu)于±15°)的要求。
圖 9 相位一致性測(cè)試曲線
同批次模塊的幅度一致性測(cè)試曲線如圖 10 所示，該曲線為 6 ～18 GHz 范圍內(nèi)的射頻頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的1． 8 GHz 中頻幅度差值?？梢钥闯?，幅度差值均在2． 5 dB 以?xún)?nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)(優(yōu)于±2 dB)的要求。
圖 10 幅度一致性測(cè)試曲線
5 結(jié)論
本文介紹了一種高幅相一致6 ～18 GHz 下變頻器的設(shè)計(jì)方案和測(cè)試結(jié)果。組件內(nèi)部采用多功能芯片，片上集成了混頻器、倍頻器、低噪聲放大器以及開(kāi)關(guān)。測(cè)試結(jié)果表明，組件的無(wú)虛假動(dòng)態(tài)范圍大于50 dB，噪聲系數(shù)優(yōu)于 6 dB，幅度一致性?xún)?yōu)于±2 dB，相位一致性?xún)?yōu)于±15°。本組件體積小，本組件體積小，集成度高，易于調(diào)試，可以滿(mǎn)足工程需要。（參考文獻(xiàn)略）
作者：張得才 管 飛 吳志亮 王洪林 陳 坤
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