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在射频超外差接收机中，下变频器是一种常用的功能组件，主要用于射频信号的侦测接收。针对 6 ～18 GHz 频段，提出一种下变频器的设计方案。下变频器采用混合集成电路工艺，中频处理带宽1 GHz，噪声系数优于6 dB，幅度一致性优于±2 dB，相位一致性优于±15°，无虚假动态范围大于50 dB。组件内部采用多功能芯片和 MEMS滤波器组，内置多级数控衰减和数控移相器。下变频器具有频段宽、体积小、集成度高、易于调试的优点。
下变频器是接收系统中的核心部件，接收系统需要把高频信号用下变频器转换到低频，便于后级进行信号处理。随着半导体技术的发展，单片微波集成电路(MMIC) 突破传统的混合微波集成电路(MIC)快速发展起来。MMIC 芯片尺寸小，寄生参数少，具有优秀的高频性能。MMIC 芯片的大规模运用已成为微波组件小型化的重要途径之一 。变频器也向着小型化、高集成、低成本的方向发展。
本文介绍一种高幅相一致6 ～18 GHz 下变频器的设计方案和测试结果，该组件采用毫米波变频方案，幅度和相位都可以数控调节。组件的噪声系数优于 6 dB，无虚假动态范围大于 50 dB，组件之间幅度一致性优于±2 dB，相位一致性优于±15°。组件内部采用多功能芯片，多功能芯片集成了混频器、倍频器、低噪声放大器以及开关。本组件体积小，集成度高，调试简单，可以满足工程应用的需求。
宽带下变频器设计要点是在确保噪声系数的基础上，避免带内及近边带杂散和虚假信号的产生。根据下变频的原理，一个变频器的杂散水平主要取决于以下两点:
本方案中，考虑到成本和体积，6 ～18 GHz 射频信号经过开关滤波器组划分为 8 个通道。如图 1 所示，变频选择毫米波本振方案，先将6 ～18 GHz 变频至 20 GHz 以上的高中频(HIF1 和 HIF2)，再下变频到低中频。为确保第一次变频后的射频二次谐波不落进带内，6 ～12． 5 GHz 和 11． 5 ～18 GHz 分别变换至 27 GHz(HIF1)和 21 GHz(HIF2)高中频，对应的一本振 LO1 频率为 33 ～39 GHz。第二次变频选择两个点频作为二本振 LO2，最终获得 1． 8 GHz 中频，瞬时处理带宽为 1 GHz。本方案中，所有的频率都不超过 40 GHz，以目前的器件水平都比较易于实现。
一次混频杂散计算如图 2 所示，其中 m 和 n 分别表示射频和本振的阶数。可以看出，带内及近边带没有小于 3 阶的低阶杂散。
图 2 一次混频杂散分布
二次混频杂散如图 3 所示，只有中频的二次谐波和三次谐波组合会落入近边带，混频器对这些高阶组合的抑制度可以确保虚假和杂散指标。
上述论证分析表明该变频方案有效地避开了带内低次杂散。
电路划分为三部分:射频前端，变频电路，中频电路。下面分别介绍这三部分的电路细节。
2． 1 射频前端
射频前端部分由低噪声放大器、数控衰减器以及 MEMS 开关滤波网络组成，如图 4 所示。两级数控衰减器，可以将 40 dB 线性动态范围扩展为 75 dB全局动态范围。射频前端的设计增益为 14 dB，噪声系数为 4 dB，输入 1 dB 压缩点为－16 dBm。这里的设计应尽量提高射频前端的 1 dB 压缩点，以减小多信号交调，提高系统对多信号的线性处理能力。
2． 2 变频单元
2． 3 中频电路
中频电路如图 6 所示。中频电路主要用来补偿增益、滤除杂散信号，并通过均衡器来调节中频带宽内的增益平坦度。数控衰减器 B 可以和数控衰减器 A 根据频率控制码进行联合作用。数控衰减器 C用来配合温度传感器精确补偿增益在环境温度下的变化，也可以用来调节不同模块之间的幅度一致性。中频电路的设计增益为 28 dB，噪声系数为 4 dB。
根据上面的设计结果，对级联后的系统指标进行了仿真计算。系统总增益为 34 dB，噪声系数为5． 25 dB，满足设计指标的要求。
作为本设计的关键指标，幅度一致性是指组件个体之间对应于同一个射频频点(等功率输入)的中频输出功率一致性，相位一致性是指组件个体之间对应于同一个射频频点(等相位输入)的中频相位的一致性。由于射频频率被开关滤波器组划分为8 段，所以从测试结果来看，幅相一致性对应于 8 个射频频段的相位一致性。
幅相一致性设计主要靠以下几点来保证:
考虑到工程实际中幅度和相位的差值积累，电路调试手段不可缺少，本组件中设置有如下措施来调节模块之间的幅相一致性:
图 7 为变频单元测试板，两级变频芯片之间采用基片集成波导(SIW)滤波器。
变频器的实物尺寸为 130 mm×80 mm×20 mm，如图 8 所示。
同批次模块测试结果(除幅相一致性指标外)见表 1，测试结果达到了设计指标的要求。
表 1 测试指标与设计指标对照表
同批次模块的相位一致性测试曲线如图 9 所示，自上而下依次为 8 个射频通道的相位一致性测试曲线，可以看出，相位差值均在 20°以内，达到了设计指标(优于±15°)的要求。
图 9 相位一致性测试曲线
同批次模块的幅度一致性测试曲线如图 10 所示，该曲线为 6 ～18 GHz 范围内的射频频点对应的1． 8 GHz 中频幅度差值。可以看出，幅度差值均在2． 5 dB 以内，达到了设计指标(优于±2 dB)的要求。
本文介绍了一种高幅相一致6 ～18 GHz 下变频器的设计方案和测试结果。组件内部采用多功能芯片，片上集成了混频器、倍频器、低噪声放大器以及开关。测试结果表明，组件的无虚假动态范围大于50 dB，噪声系数优于 6 dB，幅度一致性优于±2 dB，相位一致性优于±15°。本组件体积小，本组件体积小，集成度高，易于调试，可以满足工程需要。（参考文献略）
作者：张得才 管 飞 吴志亮 王洪林 陈 坤
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