探究小型化K波段下变频组件的设计

0引言

下变频是把射频微波信号通过下混频变换至中低频来进行后端处理，是现代通信接收系统接收机中必不可少的部件，广泛应用于微波毫米波通信、雷达、遥感以及侦察与电子对抗等现代电子系统中。至今各种射频微波系统中几乎都采用了集成电路下变频器，主要是因为集成式下变频器体积小、性能稳定可靠、一致性好，可以适应各种特殊应用。

本文在K波段设计了一款集成下变频组件，分别完成了多个部件的仿真计算，最终集成仿真的结果较好的满足了设计要求。

1整体方案设计

本文设计的K波段下变频器的主要技术指标为：RF频率为19.5 GHz～21.5 GHz；IF频率为900 MHz～1 500MHz；3阶交调≥30dBc；增益平坦度≤±1dB；P1≥5 dBm；变频增益≥10 dB。

同时，在达到上述技术指标的前提下，力求达到小型化的要求。

根据上述需实现的技术指标和功能，K波段下变频器由以下几个部分组成：镜像抑制滤波器、混频器、二倍频器、增益放大器、本振滤波器、中频放大器，其总体实现框图和电平分配如图1所示。在总体方案中，本振信号先经过一个有源二倍频器变频放大，然后经增益放大器和滤波器放大后，接入混频器的本振口；射频信号经镜频抑制滤波器后，接入混频器的射频口；两路信号经混频器混频至中频输出，考虑到组件变频增益等要求，在中频输出端加入了一个中频放大器。

2分部件仿真

2.1倍频放大链

如图1所示，倍频放大链包括有源二倍频器、增益放大器、带通滤波器，为混频器提供稳定的本振输入功率。

二倍频管芯采用NEC公司的HEMT管NE-32400；介质基片采用Rogers公司的Duriod5880，介电常数εr=2.2，基片厚度H=0.254 mm。根据管子的特性，在软件中对偏置电压进行扫描，得出最佳的偏置电压，从而确定管子的静态工作点：Vgs=-1 V，Vds=2 V。图2是在输入频率9.6 GHz、输入功率7 dBm时的输出频谱。该倍频器提高了二次谐波的输出功率，大大抑制了基波和其他谐波的输出。

增益放大器采用UMS公司的EC2612，该pHEMT管的相关增益在18 GHz达到了12 dB。由于该器件在工作频带内不是绝对稳定，设计了负反馈电路来保证管芯的绝对稳定。图3和图4分别是放大器的增益和驻波比仿真结果，放大器的增益在8.8 dB～9 dB，平坦度在±0.1 dB之间，驻波比小于1.5。

倍频链中还包括一个带通滤波器，按照图l的电平分配，设计一个5级微带线耦合带通滤波器，其中心频率为19.3 GHz，相对带宽为8％，设计版图见图5。

在图中可见，滤波器的带内插损约1 dB，通带内S11最差为-25 dB。把得到的原理图导人版图进行滤波器Momentum版图级仿真，仿真结果见图7，带内差损小于2.2 dB，相对原理图仿真结果有一定恶化。

将上述3个分部件电路级联仿真，图8是在输人中心频率9.6 GHz、输入功率7 dBm时的倍频放大链的输出频谱图。由图中可看出，倍频链对基波抑制很大，二次谐波输出功率约为16 dBm。

2.2 K波段混频器

根据下变频组件的方案电平分配，这里设计了一个单平衡结构的混频器，选用Alpha公司的型号为DMK2790的肖特基势垒二极管。

固定射频中心频率20.5 GHz，本振中心频率19.3 GHz，射频功率-20 dBm。对本振功率扫描，如图9所示，匹配后变频损耗在6 dB附近。固定本振频率19.3 GHz，本振功率15 dBm，射频功率-20 dBm。

对射频频率进行扫描，由图10可知，变频损耗在7.5 dB附近。固定射频频率为20.5 GHz，本振频率19.3 GHz，本振功率15 dBm。对射频功率扫描，由图11所示，当射频功率7 dBm时，混频器达到1 dB压缩点。固定射频频率20.5 GHz，本振频率19.3 GHz，射频功率-20 dBm，本振功率15 dBm，中频端口输出频谱如图12所示，在中频输出端接入低通滤波器后，在隔离度上对混频器有较大的改善。

固定本振频率19.3 GHz，本振功率15 dBm，射频功率1 dBm，射频信号分别为20.505 GHz和20.495 GHz，两者幅度相同，频率相差10 MHz。经混频器混频后，输出频谱如图13所示，经混频后不仅输出有1.195 GHz和1.205 GHz两个中频信号，且由于非线性特性产生1.185 GHz和1.215 GHz两个交调信号。

此时，3阶交调系数约为-7.6+39.4=31.8 dBc；3阶输出截止点约为8.3 dBm。

3系统集成设计

由系统方案框图可知，除以上完成设计的分部件，整个下变频组件还包括中频放大和射频滤波部分。这里，中频放大器选用Mini-circuits公司的ERA-8SM，它的工作频段为DC-2 GHz，增益大于25 dB，在2 GHz时1 dB压缩点为12.5 dBm，噪声系数为3.1 dB，3阶交调截止点为25 dBm。

在射频端口加入一个带通滤波器，对镜频进行抑制。由于镜频频率是2ωL-ωs，所以混频器的镜频是17.7 GHz～18.5 GHz。该带通滤波器仍采用5阶平行耦合线来实现。通过仿真计算，保证该滤波器的镜频抑制度大于20 dB。

对整个组件进行级联仿真，并进行版图设计和仿真。当输入射频频率为20.5 GHz、本振频率9.7 GHz时，对本振功率进行扫描，当本振功率在5～10 dBm时，变频增益为18.2 dB～18.5 dB，如图14所示。图15和图16分别是本振和中频端口的驻波比，由图所示驻波比均小于2。

当本振频率9.3 GHz、本振功率7 dBm时，对输入射频频率进行扫描，如图17所示，变频增益在16 dB左右，增益平坦度在±1 dB之间。

当本振频率10 GHz、本振功率7 dBm时，对输入射频频率进行扫描，如图18所示，变频增益在16 dB左右，增益平坦度在±1 dB之间。

图19给出了整个K波段下变频组件的版图，经合理布局，整个组件版图控制在47.5 mm×28 mm之内，较好地达到了小型化的要求。

4结束语

本文设计了一个小型化K波段下变频组件，其中倍频器采用有源二倍频方案，滤波器采用平行耦合线结构，混频器采用混合环单平衡混频结构。本文给出了上述部件的仿真结果和整个组件的仿真结果，都较好地满足了设计指标；并给出了整个组件的最终加工版图，整个组件尺寸控制在47.5 mm×28 mm内。

编辑：jq