5G多通道毫米波下變頻處理單元設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

武敬飛 朱亮 王嘉嘉

摘 要：5G日益成熟，商用基站的5G增強(qiáng)移動(dòng)寬帶場景技術(shù)驗(yàn)證和外網(wǎng)測試離不開高性能的接收機(jī)，常規(guī)儀表接收機(jī)已很難適應(yīng)5G NR測試新需求，而5G多通道毫米波下變頻處理單元又是高性能接收機(jī)的核心單元。本文主要針對以上難點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出高性能的5G毫米波下變頻處理單元，保證了大帶寬、低延遲的需求，測試結(jié)果證實(shí)了該下變頻處理單元的實(shí)用性和高效性。

關(guān)鍵詞：5G；毫米波；多通道；增強(qiáng)移動(dòng)寬帶

*基金項(xiàng)目：電子測量儀器技術(shù)蚌埠市技術(shù)創(chuàng)新中心項(xiàng)目（5G終端模擬測試技術(shù)）

為了滿足頻段和性能的不同需求，設(shè)計(jì)微波毫米波接收單元時(shí)本著模塊化、系列化的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)采用集成化設(shè)計(jì)技術(shù)保證了整機(jī)信號(hào)接收通路的優(yōu)異性能?？紤]到頻段需要覆蓋400 MHz ～6 GHz、（24.25～30）GHz兩個(gè)頻段，毫米波收發(fā)低頻段采用超外差二次變頻，毫米波則采用一次混頻方案。

1 高性能寬帶多標(biāo)準(zhǔn)通信信號(hào)接收方案

接收過程中，輸入信號(hào)首先經(jīng)前置程控衰減進(jìn)行信號(hào)幅度調(diào)整，然后經(jīng)毫米波寬帶開關(guān)將信號(hào)分為400 MHz ～6 GHz、（24.25～30）GHz兩個(gè)頻段。在射頻通道中，先經(jīng)過寬帶低噪聲前置放大器放大后，再經(jīng)抑頻鏡頻及多重響應(yīng)的低通濾波器濾波，然后經(jīng)低噪聲前置放大器放大，再與第1本振信號(hào)上混頻產(chǎn)生第1中頻信號(hào)，第1中頻輸出至第2變頻器中，再與第2本振信號(hào)混頻產(chǎn)生第2中頻信號(hào)；毫米波段頻率范圍內(nèi)的信號(hào)首先經(jīng)微波寬帶低噪聲程控增益放大器放大，再經(jīng)跟蹤預(yù)選器濾波后與第1本振信號(hào)基波和倍頻輸出信號(hào)進(jìn)行基波混頻，直接產(chǎn)生第2中頻信號(hào)，混頻輸出的中頻信號(hào)經(jīng)開關(guān)切換進(jìn)入微波通道進(jìn)行信號(hào)的高速采集處理。具體方案如圖1所示。

2 接收通路的高靈敏度實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)接收通路高靈敏度的接收，在方案設(shè)計(jì)時(shí)主要從3個(gè)方面考慮：①各變頻模塊全部采用基波混頻技術(shù)，以減小變頻損耗。②各信號(hào)接收通路前端加入寬帶低噪聲放大器，以減小通路噪聲系數(shù)。但是，如果通路壓縮點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理，通過加入前置放大器來改善靈敏度反而會(huì)容易造成大信號(hào)壓縮，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍的降低。因此將合理分配接收通路增益，嚴(yán)格設(shè)計(jì)每級部件的增益壓縮點(diǎn)，防止對大信號(hào)造成壓縮。③采用微波部件集成技術(shù)，以克服因分立器件之間匹配不良而導(dǎo)致通路損耗變大的問題。

在接收通路的設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)對超寬帶微波毫米波部件的設(shè)計(jì)制造技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。毫米波開關(guān)預(yù)選混頻組件（即（6～30） GHz變頻模塊）包括30 GHz電子開關(guān)、（6～30） GHz YIG濾波預(yù)選器、30 GHz基波混頻器、6 GHz低通濾波和匹配網(wǎng)絡(luò)等部分，這些組件指標(biāo)要求高，加工工藝復(fù)雜，技術(shù)難度大，對整機(jī)相關(guān)性能影響大，是制約國產(chǎn)儀表無法覆蓋毫米波高頻段的關(guān)鍵微波部件。在設(shè)計(jì)過程中，將克服國內(nèi)加工工藝水平和材料等方面的限制，突破毫米波電子開關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)、毫米波YTF耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、線性強(qiáng)磁場設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、毫米波雙平衡基波混頻技術(shù)和毫米波組件混合集成設(shè)計(jì)技術(shù)等五大技術(shù)難點(diǎn)，通過多次反復(fù)試驗(yàn)，攻克該難題，研制高性能毫米波開關(guān)預(yù)選混頻組件（實(shí)物如圖2所示），為整機(jī)測試頻段擴(kuò)展到更多更高毫米波頻段奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

另外在微波毫米波接收單元設(shè)計(jì)中，還突破了毫米波開關(guān)步進(jìn)衰減器、毫米波放大混頻組件、毫米波本振倍頻分配組件、寬帶低相噪YIG振蕩器等關(guān)鍵微波毫米波部件的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，使整機(jī)在400 MHz～30 GHz頻率范圍具有高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、快速調(diào)諧和多種掃描方式等特點(diǎn)，靈敏度典型值-150 dBm（選通前置放大器達(dá)-165 dBm），無失真動(dòng)態(tài)范圍超過120 dB，最快調(diào)諧速率達(dá)1 GHz/ms（@1 MHz分辨率帶寬）。

3 毫米波下變頻處理單元實(shí)驗(yàn)結(jié)果

頻率范圍如圖3、圖4所示。

4 結(jié)束語

本文中的多通道毫米波下變頻處理單元方案依據(jù)5G增強(qiáng)移動(dòng)寬帶場景技術(shù)需求和3GPP標(biāo)準(zhǔn)，支持5G關(guān)鍵技術(shù)，包括新型多址接入、新型多載波、先進(jìn)調(diào)制編碼和大規(guī)模MIMO等，支持LTE-Advanced-Pro、5G NR等通信制式以及增強(qiáng)移動(dòng)寬帶場景測試，單終端天線數(shù)不少于8根。設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，在統(tǒng)一硬件與軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)和滿足不同測試。