黄阳镇，耿军平，金荣洪，梁仙灵，朱晓伟 ( 上海交通大学 电子工程系，上海 200240)

摘 要: 下变频器是微波接收机的关键组件，其性能优劣将影响整个系统的指标。采用至上而下的 模块化设计方法研制了一款 C 波段下变频器，首先进行下变频器的系统搭建和分立器件的指标分 配，然后完成分立模块的原理设计、仿真优化和功能实现，最后实现系统集成和调试封装。该下变 频器主要包括低噪声放大器、镜像抑制微带滤波器、锁相环本振源、混频器和功分器等元器件，体积 小且便于集成，其射频输入为 4． 65 ± 0． 25 GHz，中频输出为 1． 3 ± 0． 25 GHz，测试噪声系数为 4 dB， 增益为 1 dB，镜像频率和杂散信号抑制性能良好，各项指标满足系统要求。

关键词: 下变频器; 模块化设计; 锁相环; 噪声系数

The Design and Ｒealization of LNB in C-band

Abstract: LNB is the key component of microwave receiver，which substantially affects the overall performance of the communication system． A modularized top-down design method is introduced to develop the LNB with high performance in C-band． Firstly，the system construction and the index distribution of discrete devices are completed based on the ADS software; Then the design，simulation and optimization are accomplished by the EDA simulation software and system integration and packaging can be realized finally． The proposed LNB with good performance and compact structure mainly consists of a LNA，a microstrip filter，a PLL frequency synthesizer，a mixer and a power divider． ＲF input frequency and IF output frequency of theproposed LNB is 4． 65 ± 0． 25 GHz and 1． 3 ± 0． 25 GHz respectively． According to the test result，the noise figure is 4 dB and the Gain is 1 dB，and a good performance of mirror frequency and spurious signal suppression can be achieved to match the communication system requirements

Key words: LNB; modular-design; PLL; noise-figure

0 引 言 

    下变频器是通信接收中关键组件，被广泛应用 在微波通信、雷达、遥控以及许多微波测量系统［1］。 下变频器抑制带外干扰并提供一定的变频增益，将 信号最终变频到满足解调终端的频段，其性能的优 劣将对整个系统的各项指标产生重大的影响［2］。 下变频器一般由放大器、混频器和本地振荡器等有 源器件组成［3 － 4］，合适的器件选择和电路匹配设计 直接影响到增益、噪声系数及功率容量等性能指标。 下变频设计有两个难点: 一方面由于其工作在 C 波段、Ku 波段乃至更高频段，频段的提高将加剧寄生 效应和耦合效应，由此导致了器件性能的不确定性， 从而增加了电路调试和设计的难度; 另一方面，下变 频器中包括了数字电路、模拟电路及微波电路模块， 器件匹配、电磁兼容及数字模拟电路隔离等问题也 提高了设计复杂度。因此，如何快速高效地研制一 款性能指标满足特定系统要求的下变频器是值得探 究的。

    采用至上而下的模块化设计方法设计一款高性 能的 C 波段下变频器［5］。首先进行下变频器的系 统搭建，主要包括低噪声放大器、镜像抑制微带滤波 器、锁相环本振源、混频器和功分器等元器件。通过 整体仿真，合理分配分立元件的参数指标。然后完 成子部件的原理设计、仿真优化和功能实现。最后 合理布局版图并留有调试端口，完成系统集成、调试 和封装。测试结果表明，下变频器的噪声系数为 4 dB，增益为 1 dB，镜像频率和杂散信号抑制性能良 好，各项指标满足系统要求。该设计方法思路清晰， 简单高效，可应用于其他频段的下变频器的设计，对 微波组件设计有一定的参考意义。 

1 总体设计

    设计中，下变频器安装在接收开关之后，基带单 元之前。根据接收机系统的通信要求，制定了主要 的性能参数，中频输出为 1． 3 ± 0． 25 GHz，噪声系数 为 4 dB，增益为 1 dB。

    根据性能参数的要求以及参考传统下变频器的 框架，设计下变频器的内部基本结构，主 要 包 括 LNA、镜像抑制滤波器、混频器和本振频率源四个组 成部分，如图 1 所示。射频信号被 LNA 放大和镜像 抑制滤波器滤波后，在混频器中与本振混频，从而得 到中频信号。镜像抑制滤波器用于减少镜像噪声对 系统接收的干扰，本振频率源通过锁相环电路实现， 用于产生高稳定度和低相噪的点频源。

    根据原理框图和性能指标，在 EDA 软件 ADS ( Advanced Design System) 中完成链路设计及元器件的指标分配，如图 2 所示。围绕最佳性价比和最 高可行性原则来分配各元器件的指标，即平衡各个 分立器件的性能成本和设计难度，以相对常规的分 立模块来达到下变频器整体性能的最优。设计中， 通过参考实际芯片的 datasheet，合理设置各元器件 的指标参数，如 LNA 的增益和噪声系数; 滤波器的 带内插损和带外抑制; 混频器的变频增益，端口隔离 及频率源的相位噪声和稳定度。通过 ADS 计算，仿 真结 果 如 图 3 所 示，下 变 频 器 的 噪 声 系 数 为 3. 867 dB，增益为 0． 998 dB。该仿真结果可作为芯 片选型和电路设计的参考，提高元器件模型的精确 度可进一步提高整体仿真的准确度。

2 模块设计 

    基于总体设计的计算结果，分别在 ADS、HFSS 及 Altium Designer 中设计各个模块，并最终做系统 集成。 

2． 1 LNA 设计

    低噪声放大器( LNA，Low Noise Amplifier) ，是 射频信号通过的第一个模块，保证信号在低噪声的 前提下进行放大，其噪声系数基本决定了下变频器 的整体噪声系数［6］。

    LNA 的设计应首先满足最佳噪声性能原则，在 此基础上，根据接收机设计指标设计足够高的功率 增益［7］。结合总体设计的元器件指标要求并查阅相关芯片资料，选取了 ATF34143 的耗尽型微波晶 体管，设计原理图并通过优化设计，如图 4 所示。 LNA 的增益以及噪声系数见图 5。

2． 2 镜像抑制滤波器设计

    镜像抑制滤波器用于抑制带外杂散信号及镜频 干扰以减少系统中噪声。镜频干扰指的是当有用信 号和噪声信号的频率在频率轴上对称地位于本振信 号 LO 的两边，则两个信号在混频过后会同时被搬 移到同一个中频频率。

    设计采用多枝节的三模微带滤波器［8］，以便于 集成加工，如图 6 所示。谐振器主要由两个枝节以 及一段水平微带线组成，其长度和宽度分别为 l1 和 w1，l2 和 w2 以及 l3 和 w3。根据奇偶模理论分析，该 谐振器主要有三个谐振点，分别为

    其中 εeff代表有效介电常数。基于电磁仿真软件 HFSS 的优化，滤波器的最优参数见表 1。如图 7 所示， 滤波器的带内插损小于 1 dB，带外抑制大于25 dB，通 带带宽为 4. 4 ～ 4. 9 GHz，相对带宽达到 10. 7%。

2． 3 混频器设计 

    设计中的下变频器要将射频信号经过变频之后 得到 中 频 输 出，选 用 Hittite 公司的混频器芯片 HMC488MS8G。首先此芯片是采用无源的双平衡混 频器结构，具备较好的隔离度，并能很好地抑制寄生 信号; 其次，此芯片不需要直流偏置，是一种无源的 混频结构，这就使得它结构变的更简单，操作更容 易，且稳定性较好。HMC488MS8G 的射频与本振输 入频率范围为 4 ～ 7 GHz，中频输出频率为 DC 到 2. 5 GHz，只有 8 dB 的变频损耗，输入 1 dB 压缩点 8 dBm，本振与射频输入隔离度为 30 dB，都满足下 变频模块指标的要求。

2． 4 锁相环频率源设计 

    锁相环频率源是利用锁相环的频率无误差跟踪 特性［9］，使得压控振荡器( VCO) 产生与晶体振荡器 相同频率稳定度的频率信号，参考锁相环频率合成器的基本结构［10］，设计电路组成方案，如图 8 所示。 电 路主要包括锁相芯片 ADF4107，VCO 芯 片 HMC358MS8G 以及温补晶体振荡器。VCO 输出信 号经分频后，在鉴相器中与晶体振荡器的振荡信号 进行相位比较并输出误差电压。误差电压通过环路 滤波器加载到 VCO 的电压控制端，将输出频率锁定 在 5 950 MHz，且与晶振频率具有相同的频率稳定 度。锁定后的信号频率通过威尔金森功分器和 π 衰网络，获得高稳定、低噪声且满足电平值要求的固 定点频信号。

    鉴相器、分频器、VCO 及晶体振荡器的性能基 本由器件所决定，因此环路滤波器的设计直接关系 到锁相环电路的噪声性能、捕获及跟踪性能。环路 滤波器主要的设计参数有环路带宽和相位域度。当 环路带宽选在晶振的噪声功率谱密度曲线和 VCO 的噪声功率谱密度曲线的交点频率附近，则噪声性 能接近最佳。本设计中采用三阶无源环路滤波器， 经调试，当环路带宽取为 10 kHz，频率源的相噪性 能最佳，其对应的参数如图 9 所示。

    该方案电路结构简单，获得的振荡信号稳定度 高、相位噪声低，整体电路原理图在 Altium Designer 中设计完成，如图 10 所示。

3 模块集成与测试 

    基 于 各 元器件的设计和优化，在 Altium Designer 完成系统集成。系统集成需要考虑版图尺 寸、电磁干扰以及模块隔离等问题。由于本振源要 为多个器件提供参考频率，因此把锁相环本振源单 独设计为一个模块，而其余的元件组成混频模块。

3． 1 本振模块与测试 

    本振模块主要包含两部分: FPGA 控制板和 PLL 微波电路板，如图 11 所示。通过数字控制字设置锁 相芯片 ADF4107 的寄存器设置，可以实现单频率输 出和扫频输出。

    本振模块测试结果如图 12 所示，输出频率为 5 950 MHz，输出电平值为 3． 34 dBm，相位噪声达到 － 87 dBm@ 1 kHz; － 85 dBm@ 10 kHz; － 102 dBm@ 100 kHz; － 127 dBm @ 1 MHz，达到设计要求。

3． 2 混频模块与测试 

    混频模块主要包含三部分: LNA、镜像抑制滤波器和 Mixer，如图 13 所示。封装的盒子采用腔体隔 离，以减少电磁互扰。

    通过安捷伦信号分析仪，信号发生器和噪声源 对加工制作好的混频模块进行测试，结果如图 14 所 示。其中在 1. 3 ± 0. 25 GHz 的中频输出，噪声系数 为 4. 1 ± 0. 4 dB，增益为 1. 5 ± 1 dB。由于混频模块 为三级连接，因此关于增益和噪声系数的抖动属 于可接 受 的 范 围，其性能满足设计指标和通信 要求。

3． 3 频谱测试 

    通过安捷伦频谱仪和信号发生器测试下变频器 的频谱性能，结果如图 15 所示。射频输入信号通过 下变频器，在 1. 3 ± 1 GHz 的带宽范围内，镜像频率 和杂散信号抑制性能良好。

4 结 语 

    设计研制了一款 C 波段下变频器，采用至上而 下的模块化设计方法。首先基于 ADS 软件实现下 变频器的系统搭建，系统主要包括低噪声放大器、镜像抑制微带滤波器、锁相环本振源、混频器和功分 器，通过整体仿真，合理分配分立元件的参数指标。 然后借助于各类 EDA 工具完成子部件的原理设计、 仿真优化和功能实现。最后合理布局版图并留有调 试端口，完成系统集成、调试和封装。测试结果表 明，在 1. 3 ± 0. 25 GHz 的 中 频 输 出，噪 声 系 数 为 4 dB，增益为 1. 5 dB，镜像频率和杂散信号抑制性能 良好，各项指标满足系统要求。另外针对下变频器 的设计方法和步骤对微波组件设计行业有一定的参 考意义。

参考文献: 

［1］ 汪莉． K 波段集成下变频器的设计［D］． 南京: 南京理 工大学，2008． 

［2］ 赵浩辰． Ku 波段高性能下变频模块研究［D］． 成都: 电子科技大学，2013． 

［3］ 王频． GPS 接收机 L_1 波段下变频电路设计与研究 ［D］． 西安: 长安大学，2011． 

［4］ 苑春雷． C 波段收发信机的研制［D］． 西安: 西安电子 科技大学，2011． 

［5］ 孙家训． 基于直播卫星接收的高性能 LNB 设计［D］． 合肥: 安徽大学，2011． 

［6］ LEE THOMAS． The Design of CMOS Ｒadio Frequency Integrated Circuits［M］． Cambridge: Cambridge University Press，1998．

 ［7］ 毛文杰，冉立新． 一种基于接收机整机噪声最佳的射 频 LNA 匹配电路设计［J］． 电路与系统学报，2002，7 ( 3) : 21-24．

 ［8］ MA，ZHEWANG，et al． Design of a broadband bandpass filter using microstrip stubs-loaded three-mode resonator ［C］/ / Microwave Conference Proceedings ( APMC) ， 2011 Asia-Pacific． IEEE，2011． 

［9］ 袁慧琴，郭春生． C 波段锁相环式本振源设计［J］． 现 代雷达，2008，30( 1) : 84-86．

［10］ 薛颜，杨霄垒，周启才，等． 一款低抖动宽调节范围 锁相环频率合成器的设计［J］． 中国电子科学研究院 学报，2014，9( 1) : 101-104．

黄阳镇( 1989—) ，浙江金华人，硕士研 究生，主要研究方向是射频微波电路、天线 设计及收发机的信道仿真和系统搭建; E-mail: hyzhyzduty@ sjtu． edu． cn 

耿军平( 1972—) ，陕西宝鸡人，副教授，主要研究领域 为电磁场理论及现代天线技术，电磁计算方法，信号处理等; E-mail: gengjunp@ sjtu． edu． cn 

金荣洪( 1963—) ，江苏无锡人，教授/博士生导师，主要 研究领域为电磁场理论、现代天线技术、电磁计算方法、天线 信号处理、智能天线及相控阵天线等; 

梁仙灵( 1978—) ，男，浙江台州人，副教授，主要研究领 域为电磁场理论、现代天线技术等; 

朱晓伟( 1985—) ，男，江苏淮安人，硕士研究生，主要研 究方向为射频与微波电路，功率放大器设计。