基於LTCC工藝的微型寬帶混頻器及其應用

2021-01-08 電子產品世界
低溫共燒陶瓷(LTCC)材料的出現,對高性能器件的小型化很大促進。該技術也是Mini-Circuits公司最新一系列寬帶、低成本混頻器的基礎。該系列混頻器採用了尖端的半導體技術和專利的LTCC封裝,頻率覆蓋範圍從750 MHz to 15GHz。該系列產品用途很廣,既可作為下變頻器,也可作為上變頻器,並且其寬帶特性使該產品的應用領域非常廣。

LTCC技術採用陶瓷作襯底,形成多層電路。由於電路可以在三維空間進行設計,並且可以嵌入電阻、電容等無源器件,與平面電路(傳統的集總電路或微帶電路)相比,其體積可以縮小很多倍。

以最新的SM-153+ LTCC雙平衡混頻器為例,其體積為5.1×4.6×2.1 mm,和通常的場效應管或二極體混頻器相比,其體積有明顯的減小。和其他的半導體混頻器相比,SM-153+ 是無源器件,無須偏置,並且抗靜電能力較強。其射頻輸入的範圍是3.4 to 15.0GHz,中頻輸出範圍為DC to 4.5GHz。因為它既可作為下變頻器,又可作為上變頻器,因此在商用和軍事領域都有很廣的應用。並且該產品符合RoHS環保標準,可以用於無鉛電子系統。

除了二極體以外,整個混頻器都使用多層LTCC電路實現的。由於各層之間的連接比較緊密,LTCC電路的穩定性和密封性是與生俱來的。該混頻器在設計時就考慮到商用、軍用領域可能的溫度、溼度、振動和機械衝擊等情況。

新型的SIM系列混頻器佔用的PCB板面積很小,便於焊接和連接。傳統的直插式混頻器需要在PCB板上打孔,並且還需要螺絲緊固,非常費力。而新型的SIM系列混頻器和早期非常成功的MCA1系列相比,其體積縮小了一半。隨著單片集成混頻器的發展,混頻組件逐漸以陶瓷和塑料封裝的形式出現。

SIM-153+系列混頻器的指標如表1所示,其標稱本振功率為+7dBm,但是其本振的功率範圍很大,靈活性較好。為了驗證其抵抗本振變化的能力,在3組不同本振激勵下進行測試。當本證功率大於+7dBm,中頻頻率為4.5GHz時,變頻損耗小於10.5dB。當本振固定在8GHz時,本振幅度的變化對變頻損耗有一定的影響,但是,當射頻頻率在15GHz 且本振電平為 +4、+7和+10dBm時,即使在環境溫度變化很大時(-55 to +100°C),該混頻器的變頻損耗波動僅為±0.5dB。需要指出的是,這些大溫度變化的測試,都是故意為了發現其性能缺陷而設計的,該器件的標稱工作溫度為-40 to +85°C。

當固定中頻,改變本振電平進行測試時發現:SIM-153+混頻器在9GHz以下,變頻損耗典型值為6dB,在15GHz以下變頻損耗典型值為9dB。由於該混頻器的中頻範圍非常大(DC~4.5GHz),該混頻器非常適合多級混頻的系統,可以在第一級採用高中頻。該混頻器具有足夠的靈活性,可以把15GHz的微波信號轉換到標準的中頻(如70MHz),當然也可以把這樣的中頻信號轉換到微波頻段。

埠間的隔離度也是混頻器的一項重要參數,在不同的本振電平下測試了該混頻器的本振到射頻埠的隔離度,在3.4 到 5.0GHz範圍內隔離度為40dB,其他頻段的隔離度從28 到43dB。對於衛星通訊的3.7到4.2-GHz頻段之間的隔離度高達40dB。這樣高的隔離度對單邊帶系統或I/Q調製器/解調器的應用非常有利。對於這種需要匹配度很好的混頻器的場合,高隔離度就意味著良好的載波抑制。

LTCC技術不但能保證產品的一致性,還能抵抗頻率變化帶來的性能漂移。當考驗本振到射頻埠的隔離度的時候,發現,本振頻率從3.5掃描到15.0GHz的時候(溫度範圍為-55到100°C),隔離度的變化小於±2dB。

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