【《变频器系统中下变频模块的设计案例》5400字】

变频器系统中下变频模块的设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u4476变频器系统中下变频模块的设计案例 170131.1下变频模块技术指标 1303321.2方案设计 2164331.3下变频通道关键器件 3168561.3.1射频放大器 344781.3.2混频器 445901.3.3中频放大器 4150761.4下变频通道指标分析 561131.4.1杂散指标分析 5136301.4.2通道增益指标分析 6195451.4.31dB压缩点指标分析 7217361.5下变频器滤波器设计指标分析 7162031.6下变频通道的实现和测试 8273601.7下变频通道的测试结果 97931.8小结 14下变频模块主要由本振源单元、下变频单元、控制单元和电源单元组成，利用宽带本振源实现将23.5-30.5GHz的射频频率下变频到3-6GHz中频信号。与上变频设计一样，下变频单元也是两路，下变频选频组件的主要考虑滤除下变频过程出现的镜像信号。1.1下变频模块技术指标射频输入频率：23.5~30.5GHz；增益：50dB；衰减控制：≥40dB；输出频率范围：4.5GHz±1GHz；输出1dB压缩点：≥15dBm；带内平坦度：≤±3dB@BW=3GHz；镜频抑制：≥40dBc；杂波抑制：≥50dBc噪声系数：≤7dB(满增益时)相位噪声：，-90dBc/Hz@100KHz；-100dBc/Hz@1MHz工作温度：-45~+80℃；工作电压：12V±1V，5V±0.3V，-5V±0.3V由上一章节可知，上下变频模块共做两版，具体技术问题已在上一章节介绍，，这里都就不予介绍。本章主要介绍改版后的下变频单元。根据下变频单元设计指标，本文提出了如图1.1所示的设计方案，本方案同前上变频模块一样采用了MMIC单片混合集成平面电路进行设计实现小型化。1.2方案设计下变频通道链路参见图1.1上下变频器组成框图。首先在射频信号输入部分放置三级高频低噪声放大器确保噪声系数，因射频信号频率较宽，设计时采用开关滤波组进行频率选择可以减少相关杂散，进过开关滤波组后进入混频模块后生成相对应的中频信号，之后通过放大，滤波，数控衰减器来实现性能指标。图1.1下变频器设计方案考虑到射频信号的输入功率只有-50dBm，而产品要求中频信号0dBm输出功率，由于链路中混频器的变频损耗以及滤波器的插入损耗和射频接头损耗，所以要求整个模块的增益在大约55dB左右才能满足指标要求。由于产品小型化在设计上下变频通道中，下变频中频放大部分选用放大器和上变频中频放大部分为同型号的高增益高P-1放大器，能够实现指标中1dB压缩点要求。下变频单元为了满足指标镜像抑制要求，主要措施是：链路上本振相互滤除，选用高隔离混频器、加强中频滤波器的带外抑制；本振设计独立的屏蔽腔体，减小辐射；混频器采用单独的腔体进行隔离，减少本振的泄漏。同时，我们在混频器的各个端口均设置有匹配衰减器，以此来实现混频器与滤波器或放大器之间的匹配，减少信号的来回反射及串扰。1.3下变频通道关键器件1.3.1射频放大器为了满足设备较好的噪声系数和输入信号动态范围要求，首级放大器须选用具有较好的噪声系数和信号动态要求的低噪声大动态放大器，在选片时发现在现有芯片市场中很少有高频率超宽带噪声系数优异的芯片，发现ADI公司的一款HMC-XXX的芯片，此器件工作频段在24GHz-40GHz,虽芯片低频段未能达到此产品的23.5GHz频率，通过单独测试此器件用于23.5GHz频点时不影响产品性能，此放大器可提供22dB的增益，有这优异的噪声系数，噪声值为2dB，并且该产品的输入回波损耗较高达到了19dB这样可以保证输入驻波满足指标要求，同时此器件也能为通道内的功率平坦度达到指标要求提供了可靠保障。综合考虑HMC-XXX放大器芯片是集成到多芯片模块的理想选择。图1.2[42]为主要参数。(b)图1.2HMC-ALHXXX典型参数曲线频率VS增益；频率VS噪声；依据方案增益要求，在链路计算时，射频放大部分增益需为29dB，同时要求功率不压缩，射频放大部分级联3级放大器，需在每级放大器间放置固定衰减器。前两级放置HMC-XXX同型号的低噪声放大器，末级低噪声放大器选用了国内芯片厂商芯谷微的一款ILA-XXX型号的低噪声放大器，ILA-XXX是一种宽带低噪声放大器芯片，频率范围覆盖18GHz~40GHz，小信号增益11dB，带内噪声系数2.9dB。回波损耗高达25dB，保证了输入驻波系数。输出P-1为15dB，ILA-XXX采用正5V供电。图1.3[43]为典型参数曲线图。图1.3ILA-XXX典型参数曲线频率VS增益；频率VS噪声；1.3.2混频器ADI公司的HMC560芯片是采用GaAs技术的无源、双平衡MMIC混频器，即可用于上变频，也可用于下变频，所以下变频单元使用的混频器与上变频单元相同，在上一章节已经详细介绍了。本振功率为13dBm驱动混频器时，本振与射频端口隔离度达35dB，可以有效的抑制本振反向泄漏带来的杂散。指标要求输出1dB压缩点功率≥15dBm，假设射频输入功率为-20dBm，由设计方案可计算出进入混频器的射频信号功率为P=-20dBm-3dB+17dB+17dB+11dB-10dB-3dB-9dB=1dBm,从芯片资料中可知芯片最大可承受射频输入功率为11dBm，完全可以满足该要求。1.3.3中频放大器为了补偿变频和滤波带来的功率损耗，在对射频信号完成频率转换后需要选择适当的放大器对其进行放大。由于中频频率与上变频单元相同，因此中频放大器与上变频单元一样采用了ADI公司的HMCXXX，其在工作频率范围内提供的19dB增益满足变频通道对于功率增益的需求，由上文可知，经过混频滤波模块后，增益仅为8dBm，而整体增益需要55dB，为了补偿通道增益中频放大部分需要47dB，同时需要保证系统的动态范围，在级联放大器之间放置ADI公司的一款数控衰减器芯片HMCXXX，为了不会使得放大器饱和，而恶化通道的杂散抑制指标，确保满足技术指标。1.4下变频通道指标分析1.4.1杂散指标分析杂散的引入来源于三个方面：镜像频率干扰、本振源信号泄露、下变频交调杂波，在实际工程中，一般只考虑五阶以下的交调信号，其中五阶以上的交调杂波要么距离输出频段太远，要么太小不予考虑。下变频单元的杂散抑制与上变频单元相对简单，本振信号泄露频率和低阶的交调杂波都距离中频输出频率较远。同上变频单元一样，本文Agilent公司提供的互调分量分析软件APPCAD中“MixerSpur”对混频器的输出产物进行俩了分析。图1.4、1.5以及1.6展示出了本次设计中混频器在输出端口的各个互调分量的分布情况。从图中可以看到，小方框内的互调分量均在五阶以上，相对于所需的混频产物LO+IF，其抑制度均在100dBc以上，需要注意的是超外差接收机固有的镜像频率干扰镜像频率与射频频率相差两个中频频率，方案选择了23.5~26.5GHz、21.5~28.5GHz、27.5~30.5GHz三个滤波通道进行选频，以23.5~26.5GHz通道为例，本振为20.5GHz，镜像频率为LO-IF=16GHz，离射频输出信号较远，只要设计性能优良的带通滤波器，就可以比较好的滤除镜频。图1.423.5-26.5GHz下变频混频输出M*N谐波图图1.521.5-28.5GHz下变频混频输出M*N谐波图图1.627.5-30.5GHz下变频混频输出M*N谐波图1.4.2通道增益指标分析如图1.1所示，在方案中可以看到射频频链路设计了一个3级放大器级联的放大链路，根据数据手册可以悉知RF低噪声放大器HMC-XXX能提供17dB的增益，，后进过开关滤波组，由于高频率高指标滤波器采用腔体滤波器，根据经验预计2dB的插入损耗。信号进入混频模块，混频器HMC560由数据手册可知变频损耗10dB，经过混频模块，将射频信号搬移至中频信号，中频放大链路中，根据数据手册可以悉知HMCXXX可以在所需工作频率范围内提供19dB的增益，信号输出端口预留衰减匹配位置，通过上述简单分析，应用SysCalc4射频电路计算软件，最后总的通道增益为50dB，满足指标所要求的50dB通道增益的要求，当然，实际的增益与计算的会有一定的偏差，在链路计算过中已考虑，并留有足够的裕量。图1.7下变频链路计算1.4.31dB压缩点指标分析1dB压缩点的指标要求为≥15dBm。由前文介绍，低噪声放大器HMC-XXX的输出1dB压缩点约10dBm，假设射频信号功率为-30dBm，经过放衰电电路后，通过一级的开关滤波组后，输入给混频器的最大功率约-7dBm。而混频器HMC560在我们需要的23.5~30.5GHz，即使是在+85℃高温情况下输入1dB压缩点最差也有10dBm，那么考虑到8dB的变频损耗，混频器最大可输出1dBm压缩点为-2dBm。而放大器HMCXXX输出1dB压缩点约为21dBm，增益约19dB。考虑到混频器与中频一级放大器之间2dB左右的滤波器的插损衰减，理论上第一级HMCXXX刚好可以输出8dBm的功率。而级联放大器之间还有两个数控衰减器，可知此功率会一直工作在线性放大区。算上最末级2dB的贴片固定衰件器，最终1dB压缩点会大于17dBm，完全可以满足指标要求。1.5下变频器滤波器设计指标分析综上分析，滤波器的性能对于变频单元的杂散特性有着决定性的作用。主要需要考虑的指标三阶交调分量，本振和射频的泄露信号主要依靠带通滤波器进行滤除。由3.3.4.2节的杂散分析可以得出滤波器带外需要至少提供额外的50dBc抑制度来达到通道的杂散抑制指标。综合以上考虑，设计的滤波器中心频率为4.5GHz，带宽3GHz。为了达到系统的平坦度要求，因此在设计时将带内平坦度定为小于3dB，滤波器驻波为1.5，减小调试驻波系数难度。由于技术上的问题，寻求国内一家专业滤波器厂商协助我们完成。1.6下变频通道的实现和测试图1.8给出了经过前期分析准备以及设计后最终得到的一体化变频组件实物图，整个组件结构较为紧凑，体积较小。中频信号放大部分使用了介电常数为2.2、厚度为0.508mm的Rogers5880厚基片，射频信号放大模块应频率较高，使用了介电常数为2.2、厚度为0.127mm的Rogers5880软基片，基片Rogers5880以及各个微波毫米波芯片采用了不同温度导电胶先后粘接到腔体上，该烧结方式可以确保装配的可靠性，避免工作之中出现异常。模块的射频信号输入、中频信号输入端口均采用西安华普高质量SMA-K接头，为了减少传输损耗。另外，在组件的组装过程中，将腔体与盖板之间增加了一层吸波材料，以减小通道之间的空间辐射，避免因通道间隔离不够而引入杂散。图1.8中频放大模块图1.9射频放大模块1.7下变频通道的测试结果本次测试环境我们使用了罗德与施瓦茨公司出品的频谱分析仪FSV40，输入射频信号我们使用了安捷伦公司出品的83640B信号源，此设备输出频率范围10MHz-40GHz,完全覆盖了23.5-30.5GHz，矢量网络分析仪我们使用安捷伦公司出品的N5230C型号。在测试时需要注意的保持测试环境符合设备正常使用的范围，所有参与测试的陪测设备和测量仪器均工作正常，属于必须要校准的设备处于已校准状态。。在测试过程中，测试人员需着防静电工作服，带防静电手腕，做好静电防护等。根据设计指标测试产品的输出带内平坦度，测试方案框图如下：信号源信号源待测件频谱分析仪首先将待测件的输入端连接信号源，输出端接频谱仪的输入端；测试数据较多，以性能较差的通道为例，设置信号源的频率范围为23.5-26.5GHz待测件工作频率，然后将信号源设置为扫频模式，将信号源的输出电平设置为-50dBm，通过PC机将变频模块设置为通道级（高增益模式），记录频谱仪上对应输出电平在对应带宽内的最大值与最小值，其差值应满足技术指标在3GHz带宽内，波动小于3dB。测试数据如下图1.10中频输出3GHz带宽平坦度如上图1.9所示，3GHz带宽平坦度为4dB,虽然测试结果没有达到指标要求，但对下变频模块的整体性能影响不大，不影响其产品使用。根据设计指标测试产品的三阶截断点，测试方案框图如下：首先将准备2台安捷伦的信号源，然后通过功分器接到变频模块的输入端，最终选择24GHz为测试频点，变频模块通过PC机设置为通道级（高增益模式）；被测件的输出端接入频谱仪，设置频率为24GHz，两台信号源分别设置频率为f0+100MHz与f0+200MHz，在被测设备前面板设定为相应的输入输出；调整两台信号源的输出功率，为防止功率饱和使被测件的输出功率POUT=P-1-10dBm；根据公式，算出该点三阶截点的数值；OIP3=Pout+（Pout-Pf0)/2，OIP3——输出三阶截点值；Pout——f0+100MHz与f0+200MHz点处的功率值；Pf0——f0MHz点处的功率值。根据设计指标测试产品的镜像抑制，测试方案框图如下：信号源信号源待测件频谱分析仪将信号源连接待测件的射频输入端，选取中心工作频点设置为信号源的输出频率，测试镜像抑制要求输入电平Pin为-50dBm高增益模式，待测件的中频输出端接频谱分析仪的输入端口；读出频谱分析仪频谱仪中频输出信号电平P1；设置为信号源的输出频率为所选频点的镜像频率（fLO-fIF），输出电平Pin为-50dBm（高增益模式）；读取频谱分析仪此时的输出信号电平P2；计算P1-P2得出镜频抑制。，通过PC机切换到27.5-30.5GHz通道，由于频点较多，测试点选择为28GHz，本振为24.5GHz,根据公式计算得出镜像频率为24GHz，.测试数据如下图1.11、1.12:图1.1128GHz频点输出功率图1.1221GHz频点输出功率技术指标中镜像抑制要求大于等于40dBc，由上图测试得出镜像抑制为63dBc，符合技术指标要求。根据设计指标测试产品交调抑制。测试方案框图如下：信号源信号源待测件频谱分析仪将信号源连接待测件的射频输入端，选取中心工作频点设置为信号源的输出频率fRF，输出电平Pin为-50dBm（高增益模式）/0dBm（低增益模式），记录本振频率fLO，待测件的中频输出端接频谱分析仪的输入端口；读出频谱分析仪频谱仪中频输出频率fIF的信号电平P1；。设置为频谱仪的频率为所fIF2（2fLO-fRF）；读取频谱分析仪此时的输出信号电平P2；计算P2-P1得出三阶交调抑制，并记录。设置为频谱仪的频率为所fIF3（2fRF-2fLO）；读取频谱分析仪此时的输出信号电平P3；计算P3-P1得出四阶交调抑制，并记录。现选择射频24GHz频点、本振20.5GHz测试交调抑制，fIF3（2fLO-fRF）为17GHz，fIF4（2fRF-2fLO）为7GHz。测试结果如下图所示：图1.13中频输出电平P1图1.1417GHz输出信号电平P3图1.157GHz输出信号电平P3技术指标中交调抑制要求大于等于50dBc，根据上图测试可得出三阶交调为85dBc，四阶交