5G多通道毫米波下變頻處理單元設計實現

武敬飛 朱亮 王嘉嘉

摘 要：5G日益成熟，商用基站的5G增強移動寬帶場景技術驗證和外網測試離不開高性能的接收機，常規儀表接收機已很難適應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的核心單元。本文主要針對以上難點進行分析，設計出高性能的5G毫米波下變頻處理單元，保證了大帶寬、低延遲的需求，測試結果證實了該下變頻處理單元的實用性和高效性。

關鍵詞：5G；毫米波；多通道；增強移動寬帶

*基金項目：電子測量儀器技術蚌埠市技術創新中心項目（5G終端模擬測試技術）

為了滿足頻段和性能的不同需求，設計微波毫米波接收單元時本著模塊化、系列化的設計原則，同時采用集成化設計技術保證了整機信號接收通路的優異性能。考慮到頻段需要覆蓋400 MHz ～6 GHz、（24.25～30）GHz兩個頻段，毫米波收發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 高性能寬帶多標準通信信號接收方案

接收過程中，輸入信號首先經前置程控衰減進行信號幅度調整，然后經毫米波寬帶開關將信號分為400 MHz ～6 GHz、（24.25～30）GHz兩個頻段。在射頻通道中，先經過寬帶低噪聲前置放大器放大后，再經抑頻鏡頻及多重響應的低通濾波器濾波，然后經低噪聲前置放大器放大，再與第1本振信號上混頻產生第1中頻信號，第1中頻輸出至第2變頻器中，再與第2本振信號混頻產生第2中頻信號；毫米波段頻率范圍內的信號首先經微波寬帶低噪聲程控增益放大器放大，再經跟蹤預選器濾波后與第1本振信號基波和倍頻輸出信號進行基波混頻，直接產生第2中頻信號，混頻輸出的中頻信號經開關切換進入微波通道進行信號的高速采集處理。具體方案如圖1所示。

2 接收通路的高靈敏度實現

為了實現接收通路高靈敏度的接收，在方案設計時主要從3個方面考慮：①各變頻模塊全部采用基波混頻技術，以減小變頻損耗。②各信號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。但是，如果通路壓縮點設計不合理，通過加入前置放大器來改善靈敏度反而會容易造成大信號壓縮，導致動態范圍的降低。因此將合理分配接收通路增益，嚴格設計每級部件的增益壓縮點，防止對大信號造成壓縮。③采用微波部件集成技術，以克服因分立器件之間匹配不良而導致通路損耗變大的問題。

在接收通路的設計過程中，重點對超寬帶微波毫米波部件的設計制造技術進行攻關。毫米波開關預選混頻組件（即（6～30） GHz變頻模塊）包括30 GHz電子開關、（6～30） GHz YIG濾波預選器、30 GHz基波混頻器、6 GHz低通濾波和匹配網絡等部分，這些組件指標要求高，加工工藝復雜，技術難度大，對整機相關性能影響大，是制約國產儀表無法覆蓋毫米波高頻段的關鍵微波部件。在設計過程中，將克服國內加工工藝水平和材料等方面的限制，突破毫米波電子開關設計技術、毫米波YTF耦合結構設計技術、線性強磁場設計實現技術、毫米波雙平衡基波混頻技術和毫米波組件混合集成設計技術等五大技術難點，通過多次反復試驗，攻克該難題，研制高性能毫米波開關預選混頻組件（實物如圖2所示），為整機測試頻段擴展到更多更高毫米波頻段奠定了堅實的基礎。

另外在微波毫米波接收單元設計中，還突破了毫米波開關步進衰減器、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振蕩器等關鍵微波毫米波部件的設計制造技術，使整機在400 MHz～30 GHz頻率范圍具有高靈敏度、大動態范圍、快速調諧和多種掃描方式等特點，靈敏度典型值-150 dBm（選通前置放大器達-165 dBm），無失真動態范圍超過120 dB，最快調諧速率達1 GHz/ms（@1 MHz分辨率帶寬）。

3 毫米波下變頻處理單元實驗結果

頻率范圍如圖3、圖4所示。

4 結束語

本文中的多通道毫米波下變頻處理單元方案依據5G增強移動寬帶場景技術需求和3GPP標準，支持5G關鍵技術，包括新型多址接入、新型多載波、先進調制編碼和大規模MIMO等，支持LTE-Advanced-Pro、5G NR等通信制式以及增強移動寬帶場景測試，單終端天線數不少于8根。設計采用模塊化設計方法，在統一硬件與軟件平臺上實現和滿足不同測試。