Liu Boyuan, Xu Jun
(Sekolah Fisika dan Elektronika, Universitas Sains dan Teknologi Elektronik Cina, Chengdu 610054, Sichuan)
Sebuah metode untuk miniaturisasi modul penerima X-band berdasarkan chip filter MEMS diusulkan untuk membentuk sirkuit konversi turun, yang melengkapi fungsi amplifikasi, pemfilteran dan penguatan dengan sirkuit pembagi daya osilator lokal dan sirkuit kontrol daya untuk mencapai frekuensi antara dari X-band ke L-band Saluran penerima konversi empat saluran dengan ukuran kecil dan konsumsi daya rendah. Gunakan analisis sirkuit dan simulasi pemodelan untuk menguraikan indikator teknis dari setiap bagian sirkuit. Bagian paling kritis dari rangkaian adalah rangkaian konversi turun, yaitu tautan pencampuran dan amplifikasi frekuensi. Filter pengalih frekuensi radio dan filter frekuensi menengah sangat penting bagi kinerja saluran secara keseluruhan, sehingga desain chip filter MEMS dapat digunakan untuk mencapainya. Chip filter MEMS memiliki keunggulan yang jelas dalam kinerja dan ukuran. Saluran pencampuran saluran tunggal yang digunakan untuk mencapai struktur kompak dan konsumsi daya yang rendah memenuhi tren teknis dan kebutuhan miniaturisasi, modularisasi dan integrasi, dan cocok untuk promosi dalam aplikasi praktis .
Pencampuran frekuensi; chip filter MEMS; empat saluran penerima konversi ke bawah; ADS
Nomor Klasifikasi Perpustakaan Cina: TM724.1
Kode identifikasi dokumen: SEBUAH
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.06.013
Format kutipan berbahasa Mandarin: Liu Boyuan, Xu Jun. Desain saluran pencampuran X-band berdasarkan chip filter MEMS. Aplikasi Teknologi Elektronik, 2017, 43 (6): 52-55, 59.
Format kutipan bahasa Inggris: Liu Boyuan, Xu Jun. Desain dan implementasi kanal mixer frekuensi jalan tunggal X-band berdasarkan filter MEMS. Application of Electronic Technique, 2017, 43 (6): 52-55, 59.
0 Kata Pengantar
Untuk sistem penerima seluruh mesin, konversi frekuensi dan pemrosesan penyaringan sinyal yang diterima selalu menjadi fungsi dan komponen penting. Dengan meningkatnya kemajuan teknologi desain perangkat semikonduktor dan metode proses, permintaan untuk miniaturisasi, modularisasi, dan integrasi sistem penerima menjadi semakin mendesak. Filter dalam saluran pencampuran saluran tunggal modul penerima adalah komponen utamanya. Oleh karena itu, pengembangan kinerja tinggi, Filter berukuran kecil juga menjadi salah satu hot spot perkembangan teknologi.
Perkembangan pesat teknologi semikonduktor memungkinkan untuk merancang chip filter yang dapat memenuhi persyaratan saluran pencampuran tunggal. Ukuran kecil, kerugian rendah, dan penolakan tinggi merupakan kesulitan untuk implementasi chip filter. Makalah ini menggunakan chip filter MEMS untuk merancang miniaturisasi saluran pencampuran empat saluran, mulai dari analisis struktur dan karakteristik chip filter, menjelaskan keunggulannya dibandingkan struktur tradisional dan karakteristik strukturalnya sendiri, untuk merancang dan mengimplementasikan broadband empat saluran X-band. Saluran filter pencampur.
1 Analisis struktural saluran pencampuran
Saluran pencampuran multi-saluran adalah komponen dari modul penerima, yang terutama terdiri dari penguat kebisingan rendah dinamis yang besar, pemilihan awal frekuensi 8-band (penyaringan), STC 6-bit, pencampuran, penguat menengah, penyaringan frekuensi menengah dan divisi daya osilator lokal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Tampil.
Saluran pencampuran membutuhkan input dinamis out-of-band 7 dBm, osilator lokal di X band, noise figure tidak lebih dari 5,1 dB pada suhu kamar, gain 46 dB, frekuensi antara di L band, bandwidth frekuensi menengah tidak kurang dari 150 MHz, dan penindasan out-of-midband tidak kurang dari 40 dBc, penekanan frekuensi gambar tidak kurang dari 55 dBc, dan dimensinya kurang dari 150 mm × 75 mm × 11 mm. Menurut indikatornya, karakteristik indikator saluran adalah kebisingan rendah, dinamika besar, ukuran kecil, konsumsi daya rendah, dan persyaratan desain tinggi, oleh karena itu perlu dipilih desain dan perangkat sirkuit yang sesuai.
2 Analisis parameter dan alokasi indeks
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, saluran pencampuran terdiri dari LNA, filter pemilihan awal, peredam digital, penguat pencampur, filter frekuensi menengah, dan sirkuit lainnya. Ini digunakan untuk amplifikasi RF ujung depan dari sistem penerima dan menentukan karakteristik penyaringan RF sistem dan Kebisingan dan indikator lainnya.
Distribusi gain: Input P1dB dari mixer umum adalah 10 dBm, dan output P1dB sekitar 0 ~ 2 dBm. Indeks ini memerlukan output modul P1dB lebih besar dari 16 dBm, dan penguatan pasca-amplifikasi harus lebih besar dari 16 dB, untuk memastikan kekacauan mixer Supresi, untuk memastikan linearitas mixer, penguatan tahap belakang perlu dirancang lebih besar dari 18 dB, dan gain desain tahap depan mixer lebih besar dari 38 dB, sehingga memastikan penguatan total 46 dB.
Desain tingkat penolakan gambar: penolakan frekuensi gambar lebih besar dari 55 dBc. Penolakan frekuensi gambar dicapai oleh filter segmen sebelum mixer. Penolakan filter terhadap frekuensi gambar perlu dirancang agar lebih besar dari 60 dBc, yang merupakan filter yang lebih tinggi Persyaratan indikator. Desain harus mempertimbangkan pengurangan ukuran sirkuit dan konsumsi daya sebanyak mungkin.
3 desain sirkuit
3.1 Desain link pencampuran dan penguatan
Di saluran pencampuran, tautan amplifikasi pencampuran adalah inti, dan komposisinya ditunjukkan pada Gambar 2.
3.1.1 Desain penguat kebisingan rendah dinamis yang besar
Poin utama dari desain link adalah noise rendah dan dinamika tinggi.Untuk mengurangi volume, pemilihan komponen harus mempertimbangkan chip sebanyak mungkin.
Karena modul diperlukan untuk bekerja secara normal ketika input sinyal 7 dBm out-of-band, dan output dari penguat berada dalam keadaan yang tidak sesuai di luar pita filter, diperlukan penguat dinamis dan kebisingan rendah yang besar. Pertimbangan komprehensif indikator dalam desain, chip penguat yang dipilih memiliki angka kebisingan kurang dari 3 dB dan penguatan 11-12 dB. Dalam keadaan yang cocok, masukan penguat P1dB adalah 10 dBm, dan dalam keadaan ketidakcocokan keluaran, masukan P1dB sekitar 7-8 dBm. .
3.1.2 Desain filter pra-pemilihan
Karena penguat awal hanya dapat memberikan penguatan sebesar 11-12 dB, dan indeks mensyaratkan bahwa angka kebisingan saluran pencampuran tunggal tidak lebih besar dari 5,1 dB pada suhu kamar, ini memerlukan filter pemilihan awal berikutnya untuk memiliki kerugian yang rendah, yang harus kurang dari 4 dB. Jika tidak, karakteristik kebisingan akan sangat terpengaruh. Selain itu, filter perlu menekan frekuensi gambar hingga 60 dBc, yang membutuhkan indikator sangat tinggi.
Karena ukuran saluran pencampuran kecil, dan mencakup 8 filter pemilihan awal frekuensi, volume filter pemilihan awal harus sekecil mungkin sambil memastikan indeks penyaringan, panjangnya tidak boleh lebih dari 7 mm, dan lebarnya tidak boleh lebih dari 4,5 mm .
Struktur konvensional seperti filter LC, filter dielektrik, filter rongga logam, dll. Dapat memenuhi indikator, tetapi tidak dapat mencapai ukuran yang cukup kecil; sedangkan filter MMIC dan filter FBAR dengan struktur chip yang sama berukuran kecil, tetapi Indikator tidak dapat memenuhi persyaratan desain. Pertimbangan komprehensif dari berbagai pilihan, pilihan akhir chip filter rongga silikon Micro Electro Mechanical System (MEMS) untuk dicapai.
Diproduksi dari wafer silikon menggunakan fotolitografi dan proses etsa anisotropik dan etsa ICP, menggabungkan proses khusus yang unik dari MEMS dengan desain filter, filter MEMS yang dikembangkan memiliki ukuran kecil, kinerja yang baik, ringan, Fitur keandalan tinggi. Filter rongga silikon MEMS mengadopsi proses sandwich silikon massal MEMS (lihat Gambar 3), yang merupakan struktur wafer silikon tiga lapis. Rongga silikon Q tinggi dan batang resonansi balok silikon mengambang emas disiapkan dengan proses etsa dan proses ikatan silikon-silikon. Struktur internal ditunjukkan pada Gambar 4, yang dapat mewujudkan karakteristik filter rongga.
Filter rongga silikon MEMS adalah desain rongga terlindung penuh dengan resonansi TEM di dalamnya. Performa utamanya setara dengan filter rongga logam, tetapi volumenya hanya 1/550 dan beratnya 1/350.
Filter pra-seleksi memerlukan bandwidth 1 dB 600 MHz, center insertion loss 4 dB, supresi out-of-band pada jarak 900 MHz dari frekuensi tengah 43 dBc, dan penekanan jarak jauh 60 dBc. Kami akhirnya mengadopsi filter rongga silikon MEMS interdigital 6-order, diagram skema ditunjukkan pada Gambar 5.
Koefisien kopling antara batang resonansi filter diperoleh dengan model low-pass yang dinormalisasi:
Ki, i + 1 = FBW / (1)
Dalam rumus (2), fi adalah frekuensi intrinsik dari resonator ke-i, dan fi + 1 adalah frekuensi intrinsik dari resonator ke-1.
Menurut rumus (2), sesuaikan jarak antara dua resonator untuk mendapatkan koefisien kopling yang sesuai.Dengan membandingkan dengan koefisien kopling rumus (1), jarak antara masing-masing resonator akhirnya diperoleh, dan model simulasi tiga dimensi dari filter rongga silikon MEMS selesai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. .
Melalui desain di atas, ukuran chip dari filter rongga silikon MEMS 8 frekuensi adalah 7 mm × 3,5 mm × 0,8 mm, dan kurva simulasi tipikal ditunjukkan pada Gambar 7.
Dapat dilihat dari kurva simulasi bahwa kehilangan passband dari 8 chip filter pemilihan awal frekuensi adalah 3,2 dB pada suhu kamar, frekuensi gambar jauh dari frekuensi tengah chip filter, dan penekanan frekuensi gambar lebih besar dari 60 dBc.
3.1.3 Desain sakelar terintegrasi monolitik
Kehilangan pita sandi maksimum dari chip filter yang telah dipilih sebelumnya pada suhu kamar adalah 4 dB, dan kehilangan switching 8 dari 1 bertingkat sebelum dan sesudahnya harus kurang dari 2,5 dB.
Meskipun sakelar monolitik MMIC GaAs memiliki kecepatan peralihan yang cepat dan konsumsi daya yang rendah, terdapat beberapa sakelar X-band SP8T di bawah integrasi MMIC, dan kerugian penyisipannya besar dan isolasinya rendah. Umumnya, satu sakelar SPDT digunakan untuk mengalirkan dua sakelar SP4T untuk membentuk sakelar SP8T, tetapi kehilangan penyisipannya di X-band adalah 3 3,5 dB, yang tidak dapat memenuhi persyaratan desain, sehingga chip sakelar PIN GaAs dipilih untuk merealisasikan kehilangan penyisipan sakelar. Nilai maksimumnya adalah 0,6 dB, dan kerugian penyisipan maksimum dari dua sakelar empat kutub kutub tunggal adalah 0,8 GHz. Oleh karena itu, sakelar SP8T gabungan diharapkan memiliki kerugian penyisipan 2,2 dB, isolasi lebih besar dari 40 dB, dan kecepatan switching 30 ns, yang memenuhi persyaratan desain.
3.1.4 STC dan desain amplifier sekunder
Persyaratan atenuasi STC lebih besar dari 55 dB. Chip atenuasi tunggal tidak dapat memenuhi persyaratan redaman yang besar. Desainnya menggunakan dua chip atenuasi untuk mencapai STC. Atenuasi STC memerlukan insersi loss sekecil mungkin, dan pergeseran fasa yang disebabkan oleh atenuasi sekecil mungkin. Digital attenuator 30 dB dan digital attenuator 6-bit low phase shift dengan langkah 0,5 dB.
Penguat yang terletak di antara dua STC digunakan sebagai penguat sekunder, dan penguat kebisingan rendah dipilih dengan angka kebisingan 2 dB dan penguatan 23 dB.
3.1.5 Desain sirkuit penguatan dan pencampuran
Untuk mengurangi volume, rangkaian penguatan dan pencampuran diwujudkan oleh chip komposit multifungsi X-band, yang mengintegrasikan mixer, penguat frekuensi radio, penguat osilator lokal, dan sakelar dua arah. Penguatan konversi naik / turun sekitar 11 dB, dan osilator lokal konversi turun Untuk isolasi frekuensi menengah 10 dB, osilator lokal konversi turun ke isolasi frekuensi radio 5 dB.
3.1.6 JIKA desain filter
Untuk mengurangi ukuran, filter IF masih menggunakan chip filter MEMS, indeks desain: bandwidth 160 MHz, kehilangan penyisipan tengah 5 dB, penekanan out-of-band 15 dBc @ out-of-band low end, 40 dBc @ out-of-band remote end , Ukurannya 8 mm × 4,5 mm × 0,8 mm.
Simulasi ADS dilakukan dalam jangkauan broadband dekat frekuensi menengah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.
Dapat dilihat bahwa, dipengaruhi oleh hilangnya penyisipan filter, terdapat penguatan negatif di dekat frekuensi menengah, tetapi masih dalam kisaran yang dapat dikontrol.
3.1.7 Desain penguat IF
Chip amplifier dipilih untuk amplifikasi dua tahap untuk memfasilitasi penyesuaian penguatan. Stabilitas penguatan dengan suhu perlu dikompensasikan dengan attenuator kompensasi suhu, yang ditambahkan di antara penguat frekuensi menengah. Batalkan hilangnya filter frekuensi menengah dan hilangnya peredam kompensasi suhu. Penguatan frekuensi menengah dirancang untuk menjadi 18 dB. Penguat satu tahap memiliki penguatan 14,5 dB di dekat frekuensi menengah, dan koefisien refleksi input dan output adalah 15 dB.
3.2 Rancangan rangkaian osilator lokal
Daya osilator lokal yang dibutuhkan oleh chip pencampur adalah 0 hingga -5 dBm, dan sinyal osilator lokal masukan dari sistem adalah -10 dBm, sehingga penguat dapat digunakan untuk menambahkan terminal masukan sinyal osilator lokal. Karena chip mixer mengintegrasikan penguat RF dan penguat osilator lokal, isolasi dari RF ke osilator lokal adalah 40 dB, isolasi pembagi daya adalah 20 dB, dan isolasi balik penguat lebih besar dari 20 dB, yang dapat memastikan bahwa sinyal RF melewati osilator lokal. Kebocoran lebih besar dari 60 dB untuk memastikan isolasi antar saluran.
3.3 Desain catu daya dan kontrol sirkuit
Sinyal kontrol adalah level LVTTL, amplitudo level tinggi LVTTL adalah 3,3 V, dan kemampuan drive keluaran lebih baik. Sirkuit kontrol sakelar PIN juga memilih perangkat chip, sehingga perangkat yang digunakan dalam modul adalah semua perangkat chip, yang sangat mengurangi ukuran modul.
3.5 Desain tata letak struktural
Karena ukuran kecil saluran pencampuran saluran tunggal, persyaratan yang lebih tinggi ditempatkan pada struktur dan tata letak.Oleh karena itu, tata letak PCB 7-lapis diadopsi, dengan mempertimbangkan efek partisi, sambungan, dan rongga internal dari setiap bagian dari rangkaian fungsional, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. Dapat dilihat bahwa chipisasi filter pemilihan awal frekuensi 8-band dan filter frekuensi menengah mengurangi kesulitan rongga internal dan tata letak struktural, dan memungkinkan miniaturisasi saluran.
4 Uji saluran pencampuran
Dengan menggunakan sirkuit dan desain struktural di atas, saluran pencampur X-band dikembangkan. Foto aktual dan kurva terukur ditunjukkan pada Gambar 10. Ukurannya adalah 148 mm x 75 mm x 11 mm, yang mencapai tujuan desain.
Benar-benar menguji berbagai indikator saluran pencampur empat X-band, angka kebisingan kurang dari 4,5 dB pada suhu kamar, gain sekitar 44-46 dB, kerataan gain memenuhi persyaratan, koefisien persegi panjang filter kurang dari 3, dan penekanan out-of-band memenuhi persyaratan desain , Penolakan gambar lebih besar dari 60 dBc, bandwidth frekuensi menengah sekitar 160 MHz, dan penolakan di luar pita frekuensi antara lebih besar dari 45 dBc.
Dengan membandingkan tujuan desain dan hasil pengukuran aktual, dapat diketahui bahwa hasil pengembangan aktual konsisten dengan nilai desain, dan desain miniaturisasi saluran direalisasikan dengan menggunakan chip filter MEMS.
5. Kesimpulan
Artikel ini dimulai dengan indikator dan persyaratan ukuran saluran pencampuran, dan menggunakan chip filter MEMS untuk desain miniaturisasi.Jenis saluran pencampuran ini dapat dibuat lebih kecil ukurannya dan memiliki karakteristik nilai Q tinggi, memastikan kinerja rangkaian yang sangat baik. .
Berdasarkan adopsi chip filter, melalui alokasi indeks yang wajar, setiap sirkuit fungsional ditempatkan dalam saluran yang kompak dan volume kecil, yang menyadari integrasi, modularisasi dan miniaturisasi saluran. Metode desainnya fleksibel, nyaman, berbiaya rendah, dan cocok untuk dipopulerkan dan diterapkan dalam desain sistem penerima.
referensi
MANOLATOU C, KHAN M J, FAN SHANHUI, dkk. Penggabungan analisis mode filter add-drop saluran resonansi. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1999, 35 (9): 1322-1331.
Wang Yunyu. Filter merdu X-band berdasarkan teknologi RF-MEMS. Chengdu: Universitas Sains dan Teknologi Elektronik China, 2013.
Ji Wusheng, Peng Qingbin Desain miniaturisasi filter gelombang mikro Sains Teknologi dan Rekayasa, 2009 (1).
Li Wenming, Li Xiaohua, Yang Yuehan, dkk. Kemajuan penelitian filter microwave MEMS. Space Electronics Technology, 2010 (1): 1-3.
Zhang Chenxin, Ma Laixuan, Liang Jiangang, dll. Desain dan implementasi dari saklar SPDT isolasi tinggi broadband Jurnal Desain Teknik, 2006 (10): 12-14.
Zhao Lingling, Bao Xiaoan, Gao Jun, dll. Catu daya CNC cerdas berbasis komputer mikro chip tunggal STC Komputer kontrol industri, 2012 (2): 1-4.
Li Yanhui, Hu Dongliang, Pan Yingfeng Penelitian tentang teknologi kunci dalam desain mixer Teknologi Elektronik Modern, 2008 (5): 2-5.
Wu Zhengzheng, Gu Lei, Li Xinxin. Filter frekuensi radio MEMS terintegrasi pada chip. Teknologi dan Sensor Instrumentasi, 2008 menambahkan: 1-2.
- Film apa yang harus ditonton di akhir pekan | Sedikit daging segar, ayo jatuh cinta, hanya untuk menjadi berita utama bagi tulang-tulang drama kecil pasca-00-an
- Membeli mesin dan memberi Zhu Zhengting tanda tangan? Honor 10 Youth Edition akan mulai dijual pertamanya besok
- Zhao Liying memiliki kontras yang lucu antara bagian dalam dan luar permainan, menantang penggemar kuat No. 1 wanita "Secret War"
- Evaluasi Honor 10 Youth Edition: desain gradasi futuristik, "bintang selfie" dalam kisaran harga yang sama
- Hal-hal seperti pergi ke toilet Melihat Paviliun Air Terjun, Mendengarkan Yuxuan ... apa nama toilet Anda?