S波段小型化發射通道設計

最新 07-25

闡述了S波段小型化發射通道電路原理，並對設計方案與測試結果進行分析。軟體模擬腔體諧振，通過合理設計腔體結構能夠保證腔體諧振點遠離所用頻率範圍。在設計中採用MEMS濾波器、微波單片集成電路晶元及微組裝薄膜工藝來實現通道小型化。測試結果表明，該S波段小型化發射通道增益平坦度小於1 dB，帶內雜波抑制大於80 dBc，本振抑制大於57 dBc，三階交調抑制大於66 dBc。整個發射通道尺寸為55 mm×35 mm×14 mm，其性能優異且集成度高。

0 引言

上變頻模塊在雷達、通信等方面有著十分重要的作用，一般把低頻段信號上變頻變換到符合發射機所要求的頻段範圍內，再通過發射天線將信號發射出去。要實現電路整體設計的小型化[1]，需要從複雜、繁瑣的級聯電路設計中解脫出來。本文利用MEMS濾波器、微波單片集成電路(MMIC)晶元、頻率源及微組裝薄膜工藝來實現通道小型化，最後對該發射通道進行測試，性能滿足指標要求。

1 電路設計

1.1 電路原理及主要技術指標

正面射頻一路主要由均衡器、中頻低通濾波器、混頻器、兩級MEMS濾波器、兩級放大器及射頻低通濾波器電路組成。

背面本振一路主要由帶通濾波器、放大器、低通濾波器、頻率源構成。加入帶通濾波器主要出於EMC電磁兼容考慮，加入低通濾波器是為了濾掉頻率源諧波。電路原理如圖1所示。

指標要求具體如下：

(1)中頻輸入頻率：0.47 GHz～0.97 GHz；

(2)中頻輸入功率：-15 dBm；

(3)射頻輸出頻率：3.8 GHz～4.3 GHz；

(4)參考輸入頻率：100 MHz；功率：3 dBm；

(5)本振頻率：3.33 GHz；

(6)增益：10±1 dB；

(7)增益穩定度：≤2 dB；

(8)增益平坦度：≤1 dB；

(9)帶內雜波抑制：≥60 dBc；

(10)本振抑制：≥55 dBc；

(11)三階交調抑制：≥55 dBc；

(12)諧波抑制：≥55 dBc；

(13)輸入、輸出駐波：≤1.5；

(14)工作電壓：+5 V。

1.2 盒體結構設計

為滿足本振抑制指標，要求本振信號與射頻信號分腔處理，使用金屬隔牆完成本振信號與射頻信號的隔離，使得本振信號在射頻輸出埠抑制更高，同時合理設計腔體結構，充分利用有效空間，減小模塊尺寸，實現小型化設計。

腔體分為上下兩部分，下層腔體放置本振頻率源電路，上層腔體布置薄膜基板射頻電路。本振頻率源電路使用多層環氧板製作，獨立完成貼裝元器件後，通過螺釘將其擰固到盒體上。上層腔體布置射頻電路，元器件通過導電膠粘接到盒體，保證良好的接地性能，上、下層通過絕緣子互連。腔體結構示意圖如圖2所示。

為了避免外界環境對器件性能的影響，一般設計腔體來保護器件[2]。在射頻電路中，一個封閉的腔體管殼相當於諧振腔。因此在設計腔體時，要避免腔體在放大器的工作頻率範圍內產生諧振導致放大器自激。如果一個腔體內放大器的總增益超過40 dB，很容易引起放大器自激。若腔體的長、寬、高分別為l、a、b並滿足l＞a＞b時，可以得到諧振條件為：

給定腔體下的諧振頻率不止一個，而有無限多個。設計腔體管殼大小要使諧振腔的諧振頻率遠離器件的工作頻率。本方案中上層腔體通過軟體模擬計算諧振頻率為18.2 GHz左右，見圖3。本文中選擇的放大器在該頻率點的總增益已經遠遠小於40 dB，所以這個發射通道輸出埠不會出現因為諧振原因而引起自激。

1.3 主要指標技術分析

1.3.1 帶內雜波指標設計

雜波是混頻器變頻的一個重要指標，因此一次變頻混頻器採用雙平衡混頻器，同其他混頻器相比具有工作頻帶寬、組合干擾[4]少、動態範圍大、雜訊小、本振與射頻、中頻間隔離度高等優點，再通過後端級聯濾波器能夠很好地實現上述高雜波抑制度的要求。模塊帶內抑制指標要求≥60 dBc。通過軟體計算得知，會有mIF±nLO雜波頻率落入帶內。本文通過所選混頻器雜散指標要求，見表1。

1.3.2 諧波抑制指標設計

包含有源器件高頻電路的非線性系統輸出信號經泰勒級數展開後可以表示為：

則輸出信號的非線性部分為：

對於放大器來說，諧波頻率考慮二次諧波即可。對於本方案設計，末級放大器工作頻率段為0.7 GHz～5 GHz，尺寸為1.43 mm×1.15 mm×0.8 mm，P-1輸出壓縮點為19 dBm。實測當輸出信號功率為-5 dBm時，二次諧波抑製為50 dBc。通過圖4可以看出，輸出壓縮點一定時，基波信號輸出功率越小，二次諧波抑制越高。由於末級加低通濾波器，對二次諧波7.6 GHz～8.6 GHz抑制能夠達到20 dBc，如圖5所示，能夠保證整個頻帶內，二次諧波抑制都能夠做到70 dBc以上。

2 微組裝設計

2.1 MMIC晶元微組裝

上層腔利用微組裝薄膜工藝[6]，減小電路布局面積和提高微組裝效率，將晶元用導電膠粘接到薄膜基片上，輸入輸出用金絲鍵合將晶元互連[7-8]。晶元輸入輸出連接方式中，一般都會採用兩根金絲鍵合到50 Ω微帶線上進行互連。為了減小電路布局面積，提高安裝效率，晶元與下一級晶元直接靠近鍵合連接。因晶元焊盤一般只有100 μm×100 μm，所以只採用一根鍵合絲連接。經過採用模擬軟體進行模擬和測試，一般低於8 GHz以下，鍵合金絲條數一般為一根或兩根即可，見圖6。

2.2 MEMS濾波器應用

為實現通道小型化，濾波器採用MEMS硅腔濾波器。MEMS硅腔濾波器具有Q值高、體積小、易集成和可靠性高等優點。其工作頻率從S波段到Ka波段，相對帶寬為2%～100%，帶外抑制可達60 dBc以上，帶內群時延波動小。相同結構MEMS濾波器與腔體濾波器相比，MEMS體積是腔體的1/220[9]。

本文使用的MEMS硅腔濾波器插入損耗小於3 dB，1 dB帶寬大於800 MHz，帶外抑制大於50 dBc(fo±1.0 GHz)，群時延波動小於1 ns，體積為7.0 mm×6.8 mm×0.8 mm。MEMS濾波器實物圖和測試結果分別如圖7和圖8所示。

3 測試結果及分析

按以上方案設計，採用薄膜工藝及PCB板工藝實現的S波段發射通道模塊實物如圖9所示。由於射頻通道元器件較多，各個器件級聯後，輸入、輸出駐波會惡化，會導致帶內平坦度惡化。採用中頻埠混頻器前加均衡器，保證帶內平坦度達到指標要求。均衡器里採用空心電感來調試幅度均衡，調試靈活。電路中使用溫補衰減器，可使增益值在高溫、低溫環境中變化小於2 dB。測量結果如表2所示。