0引言
下變頻是把射頻微波信號(hào)通過(guò)下混頻變換至中低頻來(lái)進(jìn)行后端處理,是現(xiàn)代通信接收系統(tǒng)接收機(jī)中必不可少的部件,廣泛應(yīng)用于微波毫米波通信、雷達(dá)、遙感以及偵察與電子對(duì)抗等現(xiàn)代電子系統(tǒng)中。至今各種射頻微波系統(tǒng)中幾乎都采用了集成電路下變頻器,主要是因?yàn)榧墒较伦冾l器體積小、性能穩(wěn)定可靠、一致性好,可以適應(yīng)各種特殊應(yīng)用。
本文在K波段設(shè)計(jì)了一款集成下變頻組件,分別完成了多個(gè)部件的仿真計(jì)算,最終集成仿真的結(jié)果較好的滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。
1整體方案設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的K波段下變頻器的主要技術(shù)指標(biāo)為:RF頻率為19.5 GHz~21.5 GHz;IF頻率為900 MHz~1 500MHz;3階交調(diào)≥30dBc;增益平坦度≤±1dB;P1≥5 dBm;變頻增益≥10 dB。
同時(shí),在達(dá)到上述技術(shù)指標(biāo)的前提下,力求達(dá)到小型化的要求。
根據(jù)上述需實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)和功能,K波段下變頻器由以下幾個(gè)部分組成:鏡像抑制濾波器、混頻器、二倍頻器、增益放大器、本振濾波器、中頻放大器,其總體實(shí)現(xiàn)框圖和電平分配如圖1所示。在總體方案中,本振信號(hào)先經(jīng)過(guò)一個(gè)有源二倍頻器變頻放大,然后經(jīng)增益放大器和濾波器放大后,接入混頻器的本振口;射頻信號(hào)經(jīng)鏡頻抑制濾波器后,接入混頻器的射頻口;兩路信號(hào)經(jīng)混頻器混頻至中頻輸出,考慮到組件變頻增益等要求,在中頻輸出端加入了一個(gè)中頻放大器。
2分部件仿真
2.1倍頻放大鏈
如圖1所示,倍頻放大鏈包括有源二倍頻器、增益放大器、帶通濾波器,為混頻器提供穩(wěn)定的本振輸入功率。
二倍頻管芯采用NEC公司的HEMT管NE-32400;介質(zhì)基片采用Rogers公司的Duriod5880,介電常數(shù)εr=2.2,基片厚度H=0.254 mm。根據(jù)管子的特性,在軟件中對(duì)偏置電壓進(jìn)行掃描,得出最佳的偏置電壓,從而確定管子的靜態(tài)工作點(diǎn):Vgs=-1 V,Vds=2 V。圖2是在輸入頻率9.6 GHz、輸入功率7 dBm時(shí)的輸出頻譜。該倍頻器提高了二次諧波的輸出功率,大大抑制了基波和其他諧波的輸出。
增益放大器采用UMS公司的EC2612,該pHEMT管的相關(guān)增益在18 GHz達(dá)到了12 dB。由于該器件在工作頻帶內(nèi)不是絕對(duì)穩(wěn)定,設(shè)計(jì)了負(fù)反饋電路來(lái)保證管芯的絕對(duì)穩(wěn)定。圖3和圖4分別是放大器的增益和駐波比仿真結(jié)果,放大器的增益在8.8 dB~9 dB,平坦度在±0.1 dB之間,駐波比小于1.5。
倍頻鏈中還包括一個(gè)帶通濾波器,按照?qǐng)Dl的電平分配,設(shè)計(jì)一個(gè)5級(jí)微帶線(xiàn)耦合帶通濾波器,其中心頻率為19.3 GHz,相對(duì)帶寬為8%,設(shè)計(jì)版圖見(jiàn)圖5。
在圖中可見(jiàn),濾波器的帶內(nèi)插損約1 dB,通帶內(nèi)S11最差為-25 dB。把得到的原理圖導(dǎo)人版圖進(jìn)行濾波器Momentum版圖級(jí)仿真,仿真結(jié)果見(jiàn)圖7,帶內(nèi)差損小于2.2 dB,相對(duì)原理圖仿真結(jié)果有一定惡化。
將上述3個(gè)分部件電路級(jí)聯(lián)仿真,圖8是在輸人中心頻率9.6 GHz、輸入功率7 dBm時(shí)的倍頻放大鏈的輸出頻譜圖。由圖中可看出,倍頻鏈對(duì)基波抑制很大,二次諧波輸出功率約為16 dBm。
2.2 K波段混頻器
根據(jù)下變頻組件的方案電平分配,這里設(shè)計(jì)了一個(gè)單平衡結(jié)構(gòu)的混頻器,選用Alpha公司的型號(hào)為DMK2790的肖特基勢(shì)壘二極管。
固定射頻中心頻率20.5 GHz,本振中心頻率19.3 GHz,射頻功率-20 dBm。對(duì)本振功率掃描,如圖9所示,匹配后變頻損耗在6 dB附近。固定本振頻率19.3 GHz,本振功率15 dBm,射頻功率-20 dBm。
對(duì)射頻頻率進(jìn)行掃描,由圖10可知,變頻損耗在7.5 dB附近。固定射頻頻率為20.5 GHz,本振頻率19.3 GHz,本振功率15 dBm。對(duì)射頻功率掃描,由圖11所示,當(dāng)射頻功率7 dBm時(shí),混頻器達(dá)到1 dB壓縮點(diǎn)。固定射頻頻率20.5 GHz,本振頻率19.3 GHz,射頻功率-20 dBm,本振功率15 dBm,中頻端口輸出頻譜如圖12所示,在中頻輸出端接入低通濾波器后,在隔離度上對(duì)混頻器有較大的改善。
固定本振頻率19.3 GHz,本振功率15 dBm,射頻功率1 dBm,射頻信號(hào)分別為20.505 GHz和20.495 GHz,兩者幅度相同,頻率相差10 MHz。經(jīng)混頻器混頻后,輸出頻譜如圖13所示,經(jīng)混頻后不僅輸出有1.195 GHz和1.205 GHz兩個(gè)中頻信號(hào),且由于非線(xiàn)性特性產(chǎn)生1.185 GHz和1.215 GHz兩個(gè)交調(diào)信號(hào)。
此時(shí),3階交調(diào)系數(shù)約為-7.6+39.4=31.8 dBc;3階輸出截止點(diǎn)約為8.3 dBm。
3系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)
由系統(tǒng)方案框圖可知,除以上完成設(shè)計(jì)的分部件,整個(gè)下變頻組件還包括中頻放大和射頻濾波部分。這里,中頻放大器選用Mini-circuits公司的ERA-8SM,它的工作頻段為DC-2 GHz,增益大于25 dB,在2 GHz時(shí)1 dB壓縮點(diǎn)為12.5 dBm,噪聲系數(shù)為3.1 dB,3階交調(diào)截止點(diǎn)為25 dBm。
在射頻端口加入一個(gè)帶通濾波器,對(duì)鏡頻進(jìn)行抑制。由于鏡頻頻率是2ωL-ωs,所以混頻器的鏡頻是17.7 GHz~18.5 GHz。該帶通濾波器仍采用5階平行耦合線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)仿真計(jì)算,保證該濾波器的鏡頻抑制度大于20 dB。
對(duì)整個(gè)組件進(jìn)行級(jí)聯(lián)仿真,并進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)和仿真。當(dāng)輸入射頻頻率為20.5 GHz、本振頻率9.7 GHz時(shí),對(duì)本振功率進(jìn)行掃描,當(dāng)本振功率在5~10 dBm時(shí),變頻增益為18.2 dB~18.5 dB,如圖14所示。圖15和圖16分別是本振和中頻端口的駐波比,由圖所示駐波比均小于2。
當(dāng)本振頻率9.3 GHz、本振功率7 dBm時(shí),對(duì)輸入射頻頻率進(jìn)行掃描,如圖17所示,變頻增益在16 dB左右,增益平坦度在±1 dB之間。
當(dāng)本振頻率10 GHz、本振功率7 dBm時(shí),對(duì)輸入射頻頻率進(jìn)行掃描,如圖18所示,變頻增益在16 dB左右,增益平坦度在±1 dB之間。
圖19給出了整個(gè)K波段下變頻組件的版圖,經(jīng)合理布局,整個(gè)組件版圖控制在47.5 mm×28 mm之內(nèi),較好地達(dá)到了小型化的要求。
4結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)小型化K波段下變頻組件,其中倍頻器采用有源二倍頻方案,濾波器采用平行耦合線(xiàn)結(jié)構(gòu),混頻器采用混合環(huán)單平衡混頻結(jié)構(gòu)。本文給出了上述部件的仿真結(jié)果和整個(gè)組件的仿真結(jié)果,都較好地滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)指標(biāo);并給出了整個(gè)組件的最終加工版圖,整個(gè)組件尺寸控制在47.5 mm×28 mm內(nèi)。
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