文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 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
對于整機(jī)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(jì)技術(shù)和工藝方法的日益進(jìn)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(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，闡述其相對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢以及自身結(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(diǎn)是低噪聲、大動態(tài)、小體積、低功耗，對設(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(jì)大于18 dB，混頻器前級設(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)，濾波器對鏡頻的抑制需要設(shè)計(jì)大于60 dBc，這是一個較高的濾波指標(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(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(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(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個諧振器本征頻率，fi+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(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(jì)要求，因此選擇GaAs PIN開關(guān)芯片來實(shí)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(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及次級放大器設(shè)計(jì)
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(jì)采用兩個衰減芯片實(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1位30 dB數(shù)控衰減器和一個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(jì)
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(jì)
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(jì)，研制出X波段混頻通道，實(shí)物照片及實(shí)測曲線如圖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。
通過對比設(shè)計(jì)目標(biāo)與實(shí)測結(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
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）