《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MEMS濾波器芯片的X波段混頻通道設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
劉博源,，徐 軍
電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都610054
摘要： 提出了基于MEMS濾波器芯片進(jìn)行X波段接收模塊小型化設(shè)計(jì)的方法,，構(gòu)成下變頻電路,，與本振功分電路、電源控制電路完成放大,、濾波和增益控制功能,，實(shí)現(xiàn)由X波段到L波段中頻的小體積、低功耗四路下變頻接收通道,。利用電路分析與建模仿真,，分解各部分電路的技術(shù)指標(biāo)。各部分電路中最關(guān)鍵的是下變頻電路,，即混頻放大鏈路,，其中的射頻開關(guān)濾波器和中頻濾波器對(duì)通道整體性能至關(guān)重要，因此可以采用MEMS濾波器芯片設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn),。MEMS濾波器芯片在性能,、體積方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，用以實(shí)現(xiàn)的單路混頻通道結(jié)構(gòu)緊湊,、功耗低,，滿足小型化、模塊化和集成化的技術(shù)趨勢(shì)與需求,，適合在實(shí)際應(yīng)用中推廣,。
中圖分類號(hào)： TM724.1
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.
Design and implementation of X-band single road′s frequency mixer channel based on MEMS filter
Liu Boyuan,，Xu Jun
University of Electronic and Science Technology,，China Physical and Electronic College，Chengdu 610054,，China
Abstract： The method of miniaturizedly designing filter based on MEMS chips for x-band receiving module was proposed in this paper, constituting a down-conversion circuit which consisted of a four-way down-conversion receiving channel from X band to L band channel in combination with the filter chips, LO-power divider and power-control circuit. It had functions of amplifying, filtering and gain-controling, featured with a small size and low power consumption. By circuit analysis, modeling and simulation,，the electrical specifications of the channel was decomposed to circuit units. The down-conversion circuit, acted as the mixing-power dividing chain，was the most important unit,，which had two vital filters with MEMS chips structure,，which is an RF switch filter and an IF filter. So it can be achieved with MEMS filter chips design. The MEMS filter chips had obvious advantages on performance and size. And the mixer channel had low power consumption and a small volume，conforming to the technical development trend and demands of miniaturization,，modularization and integration,，which was suitable for the promotion in practical application.
Key words : mixing；MEMS filter chips,；four-way down-conversion receiving channel,；ADS

0 引言

    對(duì)于整機(jī)的接收系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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。

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    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,。

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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]。

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    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。

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    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)

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    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,。

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    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,。

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    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。

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    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?，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。

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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),。

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    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）

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