级联参量混频器实现L波段可调谐带通滤波：理论与实现

《IEEE Access》：Design of Cascaded Parametric Mixers for Tunable Bandpass Filtering—Theory and Implementation in L-Band

本文报道了一种基于级联参量放大架构的新型可调谐带通滤波器，通过上变频与下变频级联设计，在1.1~2.1 GHz范围内实现高达5 dB增益、3.8 dB噪声系数及30 dB带外抑制。该研究利用变容二极管的高转换增益与低噪声特性，通过固定谐振闲频路（idler）实现窄带滤波与频率调谐，为解决传统可调滤波器插损大、谐波干扰强等问题提供了新思路，对动态通信系统具有重要应用价值。

　　

在现代通信与电子系统中，高频带通滤波器如同“信号交通警察”，负责筛选特定频率的信号。然而，传统可调滤波器常面临多重挑战：调谐范围有限、插入损耗高、设计复杂，且噪声性能与线性度难以兼顾。例如，基于可调谐振器（如变容二极管或MEMS电容）的滤波器虽结构简单，但调谐时易引发带宽波动和回波损耗恶化；而近年热门的N路径滤波器虽调谐范围宽，却存在插损大、谐波泄漏等问题。如何实现低损耗、高线性、无谐波干扰的可调滤波，成为学界与工业界共同关注的难题。

在此背景下，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）Sean C. Chen团队在《IEEE Access》发表研究，提出一种基于级联参量混频器的可调带通滤波器新架构。该设计巧妙融合参量放大理论与混合MMIC（单片微波集成电路）-PCB工艺，在L波段（1.1~2.1 GHz）实现了增益提升、高带外抑制与连续调谐，为高性能射频前端提供了新方案。

关键技术方法

研究采用两级级联结构：上变频器将射频信号（f_s）转换至固定闲频（f_i），下变频器将其还原回f_s。核心创新包括：1. 采用GCS D10工艺制备的MMIC变容二极管桥，提升电容调制指数（γ=0.26）与对称性；2. 设计增强耦合线Marchand巴伦，实现泵浦信号差分馈电与高隔离度；3. 通过微带谐振器构建高Q闲频谐振网络，结合负阻效应补偿插损；4. 利用反相泵浦桥结构抑制泵浦泄漏与谐波。

研究结果

调谐性能与增益特性

滤波器在泵浦功率29.5~31.5 dBm、频率3~4 GHz调控下，实现中心频率1.1~2.1 GHz连续调谐（调谐范围62.5%），3 dB带宽稳定在50 MHz。带内增益可达5 dB，带外抑制超过30 dB。增加泵浦功率可提升增益，但会加剧通带波纹（约1.5 dB），源于负阻效应在谐振极点的非均匀分布。

噪声与线性度

中心频率1.52 GHz时，实测噪声系数低至3.8 dB，显著优于理想电阻混频器理论值（12 dB）。输入1 dB压缩点（P1dB）为2.5 dBm，带内三阶交调截点（IIP3）达13 dBm，带外IIP3高达35 dBm，展现优异线性度。谐波抑制方面，二次谐波抑制超过40 dB，泵浦泄漏抑制达39 dB。

结构优化效应

通过对称二极管桥与反相泵浦设计，有效抑制共模射频信号泄漏；定制Marchand巴伦振幅/相位失衡低于0.2 dB/4°，提升系统稳定性。闲频谐振网络的差分响应峰值插损2.6 dB，通过负阻补偿后实际增益转为正值。

结论与意义

该研究首次将级联参量混频架构应用于可调滤波器设计，通过理论推导（如负阻生成公式G_i^up=G_i^dn=–γ2G_iQ_sQ_i/(1+Q_s2)）与实验验证，实现了增益、线性度、噪声系数的协同优化。相比传统N路径滤波器，该方案避免了谐波折叠噪声，且无需复杂谐波抑制电路。尽管当前原型采用混合PCB工艺（模块面积约4000 mm2），但核心二极管桥活性面积仅0.22 mm2，未来可通过集成BAW（体声波）谐振器或片上变压器进一步微型化。这项工作为高频段可调滤波器的低功耗、高集成度发展提供了新路径，在自适应雷达、认知无线电等领域具有应用潜力。