5G多通道毫米波下变频处理单元设计实现

武敬飞 朱亮 王嘉嘉

摘 要：5G日益成熟，商用基站的5G增强移动宽带场景技术验证和外网测试离不开高性能的接收机，常规仪表接收机已很难适应5G NR测试新需求，而5G多通道毫米波下变频处理单元又是高性能接收机的核心单元。本文主要针对以上难点进行分析，设计出高性能的5G毫米波下变频处理单元，保证了大带宽、低延迟的需求，测试结果证实了该下变频处理单元的实用性和高效性。

关键词：5G；毫米波；多通道；增强移动宽带

*基金项目：电子测量仪器技术蚌埠市技术创新中心项目（5G终端模拟测试技术）

为了满足频段和性能的不同需求，设计微波毫米波接收单元时本着模块化、系列化的设计原则，同时采用集成化设计技术保证了整机信号接收通路的优异性能。考虑到频段需要覆盖400 MHz ～6 GHz、（24.25～30）GHz两个频段，毫米波收发低频段采用超外差二次变频，毫米波则采用一次混频方案。

1 高性能宽带多标准通信信号接收方案

接收过程中，输入信号首先经前置程控衰减进行信号幅度调整，然后经毫米波宽带开关将信号分为400 MHz ～6 GHz、（24.25～30）GHz两个频段。在射频通道中，先经过宽带低噪声前置放大器放大后，再经抑频镜频及多重响应的低通滤波器滤波，然后经低噪声前置放大器放大，再与第1本振信号上混频产生第1中频信号，第1中频输出至第2变频器中，再与第2本振信号混频产生第2中频信号；毫米波段频率范围内的信号首先经微波宽带低噪声程控增益放大器放大，再经跟踪预选器滤波后与第1本振信号基波和倍频输出信号进行基波混频，直接产生第2中频信号，混频输出的中频信号经开关切换进入微波通道进行信号的高速采集处理。具体方案如图1所示。

2 接收通路的高靈敏度实现

为了实现接收通路高灵敏度的接收，在方案设计时主要从3个方面考虑：①各变频模块全部采用基波混频技术，以减小变频损耗。②各信号接收通路前端加入宽带低噪声放大器，以减小通路噪声系数。但是，如果通路压缩点设计不合理，通过加入前置放大器来改善灵敏度反而会容易造成大信号压缩，导致动态范围的降低。因此将合理分配接收通路增益，严格设计每级部件的增益压缩点，防止对大信号造成压缩。③采用微波部件集成技术，以克服因分立器件之间匹配不良而导致通路损耗变大的问题。

在接收通路的设计过程中，重点对超宽带微波毫米波部件的设计制造技术进行攻关。毫米波开关预选混频组件（即（6～30） GHz变频模块）包括30 GHz电子开关、（6～30） GHz YIG滤波预选器、30 GHz基波混频器、6 GHz低通滤波和匹配网络等部分，这些组件指标要求高，加工工艺复杂，技术难度大，对整机相关性能影响大，是制约国产仪表无法覆盖毫米波高频段的关键微波部件。在设计过程中，将克服国内加工工艺水平和材料等方面的限制，突破毫米波电子开关设计技术、毫米波YTF耦合结构设计技术、线性强磁场设计实现技术、毫米波双平衡基波混频技术和毫米波组件混合集成设计技术等五大技术难点，通过多次反复试验，攻克该难题，研制高性能毫米波开关预选混频组件（实物如图2所示），为整机测试频段扩展到更多更高毫米波频段奠定了坚实的基础。

另外在微波毫米波接收单元设计中，还突破了毫米波开关步进衰减器、毫米波放大混频组件、毫米波本振倍频分配组件、宽带低相噪YIG振荡器等关键微波毫米波部件的设计制造技术，使整机在400 MHz～30 GHz频率范围具有高灵敏度、大动态范围、快速调谐和多种扫描方式等特点，灵敏度典型值-150 dBm（选通前置放大器达-165 dBm），无失真动态范围超过120 dB，最快调谐速率达1 GHz/ms（@1 MHz分辨率带宽）。

3 毫米波下变频处理单元实验结果

频率范围如图3、图4所示。

4 结束语

本文中的多通道毫米波下变频处理单元方案依据5G增强移动宽带场景技术需求和3GPP标准，支持5G关键技术，包括新型多址接入、新型多载波、先进调制编码和大规模MIMO等，支持LTE-Advanced-Pro、5G NR等通信制式以及增强移动宽带场景测试，单终端天线数不少于8根。设计采用模块化设计方法，在统一硬件与软件平台上实现和满足不同测试。