《电子技术应用》

基于MEMS滤波器芯片的X波段混频通道设计

2017年电子技术应用第6期 作者:刘博源,徐 军
2017/7/6 13:53:00

刘博源,徐  军

(电子科技大学 物理电子学院,四川 成都610054)


    摘  要: 提出了基于MEMS滤波器芯片进行X波段接收模块小型化设计的方法,构成下变频电路,与本振功分电路、电源控制电路完成放大、滤波和增益控制功能,实现由X波段到L波段中频的小体积、低功耗四路下变频接收通道。利用电路分析与建模仿真,分解各部分电路的技术指标。各部分电路中最关键的是下变频电路,即混频放大链路,其中的射频开关滤波器和中频滤波器对通道整体性能至关重要,因此可以采用MEMS滤波器芯片设计来实现。MEMS滤波器芯片在性能、体积方面具有明显优势,用以实现的单路混频通道结构紧凑、功耗低,满足小型化、模块化和集成化的技术趋势与需求,适合在实际应用中推广。

    关键词: 混频;MEMS滤波器芯片;四路下变频接收通道;ADS

    中图分类号: TM724.1    

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.013


    中文引用格式: 刘博源,徐军. 基于MEMS滤波器芯片的X波段混频通道设计[J].电子技术应用,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

    对于整机的接收系统来说,对接收信号的变频、滤波处理一直都是其重要功能及构成。随着半导体器件设计技术和工艺方法的日益进步,接收系统对小型化、模块化、集成化的需求日益迫切,接收模块单路混频通道中的滤波器是其关键器件,因而研制高性能、小体积滤波器也成为技术发展热点之一[1]

    半导体技术的快速发展使设计能够满足单路混频通道要求的滤波器芯片成为可能。小尺寸、低损耗、高抑制是滤波器芯片实现的难点。本文利用MEMS滤波器芯片进行四路混频通道小型化设计,从分析滤波器芯片的结构与特点入手,阐述其相对传统结构的优势以及自身结构特点,用以设计并实现了X波段宽带四路混频滤波通道。

1 混频通道的结构分析

    多路混频通道是接收模块的组成单元,主要由大动态低噪放、8段频率预选(滤波)、6位STC、混频、中放、中频滤波及本振功分组成,如图1所示。

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    该混频通道要求带外输入动态7 dBm,本振为X波段,噪声系数常温下不大于5.1 dB,增益为46 dB,中频为L波段,中频带宽不小于150 MHz,中频带外抑制不小于40 dBc,镜频抑制不小于55 dBc,外形尺寸小于150 mm×75 mm×11 mm。根据指标可知该通道指标特点是低噪声、大动态、小体积、低功耗,对设计要求高,因此需要选择合适的电路设计与器件。

2 参数分析及指标分配

    如图1所示,混频通道是由LNA、预选滤波器、数控衰减器和混频中放、中频滤波器等电路组成,用于接收系统的前端RF放大,决定着系统的RF滤波特性及噪声等指标。

    增益分配:一般混频器的输入P1dB为10 dBm,输出P1dB为0~2 dBm左右,指标要求模块输出P1dB大于16 dBm,则要求后级放大增益要大于16 dB,为了保证混频器杂波抑制,保证混频器的工作线性,后级增益需要设计大于18 dB,混频器前级设计增益大于38 dB,这样保证总增益46 dB。

    镜像抑制度的设计:镜频抑制大于55 dBc的要求,镜频抑制靠混频器前的分段滤波器实现,滤波器对镜频的抑制需要设计大于60 dBc,这是一个较高的滤波指标要求。设计尽量考虑减少电路尺寸、降低功耗。

3 电路设计

3.1 混频放大链路设计

    在混频通道中,混频放大链路是核心,其组成见图2。

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3.1.1 大动态低噪放设计

    链路设计的要点是低噪声大动态,为了减小体积,元器件的选用尽可能考虑芯片化。

    由于要求输入带外7 dBm信号时模块能正常工作,且在滤波器带外,放大器输出端处于失配状态,因此需选用大动态低噪声的放大器。设计中综合考虑指标,选用的放大器芯片,其噪声系数小于3 dB,增益11~12 dB,在匹配状态下该放大器输入P1dB为10 dBm,在输出失配状态下输入P1dB约为7~8 dBm。

3.1.2 预选滤波器设计

    由于前级放大器只能提供11~12 dB的增益,而指标要求单路混频通道的噪声系数常温下不大于5.1 dB,这就要求其后的预选滤波器具有低损耗,应小于4 dB,否则会较大影响噪声特性。此外,滤波器需对镜频抑制达到60 dBc,指标要求很高。

    由于混频通道的尺寸要求较小,而其中包括8种频率预选滤波器,因此在保证滤波指标的同时预选滤波器的体积必须尽可能小,长度不应大于7 mm,宽度不应大于4.5 mm。

    常规结构如LC滤波器、介质滤波器、金属腔体滤波器等虽能够满足指标,但无法实现足够小的尺寸[2];而同为芯片结构的MMIC滤波器、FBAR滤波器,其尺寸虽小,但指标无法满足设计要求。综合考虑各种方案,最终选定微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)硅腔滤波器芯片来实现[3]

    由硅片采用光刻和各向异性刻蚀及ICP刻蚀工艺制造而成,将MEMS独有的特殊工艺与滤波器设计相结合,研发的MEMS滤波器具有尺寸小、性能好、重量轻、可靠性高等特点。MEMS硅腔滤波器采用MEMS体硅三明治工艺(见图3),为三层硅片结构,经刻蚀工艺结合硅-硅键合工艺制备高Q值硅腔及厚金悬空硅梁谐振杆,内部结构见图4,可实现腔体滤波器特性[4]

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    MEMS硅腔滤波器为全屏蔽腔体设计,内部实现TEM谐振,主要性能与金属腔体滤波器相当,但体积仅是其1/550,重量是其1/350。

    预选滤波器要求1 dB带宽≥600 MHz,中心插损≤4 dB,在距离中心频率900 MHz处的带外抑制≥43 dBc,远端抑制≥60 dBc。我们最终采用6阶交指MEMS硅腔滤波器,原理图如图5所示。

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    通过归一化低通模型得到滤波器各谐振杆间耦合系数:

Ki,i+1=FBW/■(1)

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    式(2)中fi是第i个谐振器本征频率,fi+1为第i+1个谐振器本征频率。

    根据式(2)调整两谐振器间距离得到相应耦合系数,通过与式(1)耦合系数比对,最终得到各个谐振器间距离,完成MEMS硅腔滤波器三维仿真模型的搭建,见图6。

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    通过以上设计,8种频率MEMS硅腔滤波器芯片尺寸为7 mm×3.5 mm×0.8 mm,典型仿真曲线见图7所示。

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    从仿真曲线可见,8种频率预选滤波器芯片的常温下通带损耗最大3.2 dB,镜频距离滤波器芯片中心频率较远,对镜频抑制大于60 dBc。

3.1.3 单片集成开关设计

    预选滤波器芯片常温下通带损耗最大4 dB,则要求其前后级联的8选1开关损耗小于2.5 dB。

    GaAs MMIC单片开关虽然开关速度快,功耗小,但MMIC集成下的X波段SP8T开关很少,且插损大,隔离度低。一般设计用一个SPDT开关级联2个SP4T开关组合成SP8T开关,但其在X波段插损为3~3.5 dB,不能满足设计要求,因此选择GaAs PIN开关芯片来实现[5],所选芯片开关插损最大值为0.6 dB,两个单刀四掷开关插损最大值为0.8 GHz,故组合而成的SP8T开关预计插损均为2.2 dB,隔离度大于40 dB,开关速度30 ns,满足设计要求。

3.1.4 STC及次级放大器设计

    STC衰减量要求大于55 dB,单个衰减芯片无法满足大衰减量要求,设计采用两个衰减芯片实现STC,STC衰减器要求插损尽量小,衰减引起的相移尽可能小,因此选用一个1位30 dB数控衰减器和一个6位步进0.5 dB的低相移数控衰减器[6]

    位于两STC之间的放大器作为次级放大器,选用低噪声放大器,噪声系数≤2 dB、增益≥23 dB。

3.1.5 放大混频电路设计

    为了减小体积,放大混频电路采用X波段多功能复合芯片来实现,其内部集成了混频器、射频放大器、本振放大器、双向开关,上/下变频增益约11 dB,下变频本振到中频隔离度≥10 dB,下变频本振到射频隔离度≥5 dB。

3.1.6 中频滤波器设计

    为了减小尺寸,中频滤波器仍选用MEMS滤波器芯片,设计指标:带宽≥160 MHz,中心插损≤5 dB,带外抑制≥15 dBc@带外低端,≥40 dBc@带外远端,尺寸为8 mm×4.5 mm×0.8 mm。

    在中频附近宽带范围内进行ADS仿真,如图8。

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    可见,受滤波器插损影响,在中频附近处存在负增益,但是仍处于可控范围内[7]

3.1.7 中频放大器设计

    选用放大器芯片进行两级放大,以便于增益调整。增益随温度的稳定性需要通过温补衰减器来补偿,温补衰减器加在中频放大器之间。抵消掉中频滤波器的损耗和温补衰减器损耗。中频增益设计为18 dB。单级放大器在中频附近增益为14.5 dB、输入和输出反射系数均为15 dB。

3.2 本振电路设计

    混频芯片需要的本振功率为0~-5 dBm,系统输入本振信号为-10 dBm,因此使用一个放大器加在本振信号输入端即可[7]。由于混频芯片内部集成了射频放大器和本振放大器,射频到本振端的隔离为40 dB,功分器的隔离度为20 dB,放大器反向隔离大于20 dB,从而可以保证射频信号通过本振的泄露大于60 dB,从而保证通道之间隔离。

3.3 电源和电路控制设计

    控制信号为LVTTL电平,LVTTL高电平幅度为3.3 V,输出驱动能力比较好。PIN开关的控制电路也选用芯片器件,使模块所用器件均为芯片器件,大大减小模块尺寸。

3.5 结构布局设计

    由于单路混频通道要求尺寸小,对结构和布局提出了较高要求,因此综合考虑了各部分功能电路分区、联接以及内部分腔的影响,采用7层PCB布局,见图9。可见,其中8段频率预选滤波器和中频滤波器的芯片化,降低了内部分腔、结构布局的难度,使通道的小型化成为可能。

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4 混频通道的测试

    采用以上的电路和结构设计,研制出X波段混频通道,实物照片及实测曲线如图10所示,尺寸为148 mm×75 mm×11 mm,达到设计目标。

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    实际测试了X波段四路混频通道的各项指标,噪声系数常温下小于4.5 dB,增益约为44~46 dB,增益平坦度满足要求,滤波器矩形系数小于3,带外抑制满足设计要求,镜频抑制大于60 dBc,中频带宽约为160 MHz,中频带外抑制大于45 dBc。

    通过对比设计目标与实测结果可知,实际研制结果与设计值相符,并利用MEMS滤波器芯片实现了通道的小型化设计。

5 结语

    本文从混频通道的指标和尺寸需求入手,利用MEMS滤波器芯片进行小型化设计,可将该类混频通道的体积做到更小,且具有Q值高的特点,保证了优良的电路性能[8]

    基于滤波器芯片的采用,通过合理的指标分配,将各功能电路在紧凑的小体积通道内,实现了通道的集成化、模块化、小型化。该设计方法灵活方便,成本低,适于在接收系统的设计中推广应用。

参考文献

[1] MANOLATOU C,KHAN M J,FAN SHANHUI,et al.Coupling of modes analysis of resonant channel add-drop filters[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1999,35(9):1322-1331.

[2] 王云玉.基于RF-MEMS技术的X波段可调滤波器[D].成都:电子科技大学,2013.

[3] 姬五胜,彭清斌.微波滤波器小型化设计[J].科学技术与工程,2009(1).

[4] 李文明,李骁骅,杨月寒,等.微波MEMS滤波器的研究进展[J].空间电子技术,2010(1):1-3.

[5] 张晨新,麻来宣,梁建刚,等.一种宽带高隔离度SPDT开关的设计与实现[J].工程设计学报,2006(10):12-14.

[6] 赵玲玲,包晓安,高君,等.基于STC单片机的智能数控电源[J].工业控制计算机,2012(2):1-4.

[7] 李延辉,胡东亮,潘英锋.混频器设计中的关键技术研究[J].现代电子技术,2008(5):2-5.

[8] 吴争争,顾磊,李昕欣.片上集成MEMS射频滤波器[J].仪表技术与传感器,2008增:1-2.

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