EHF頻段上變頻器設計及實現(xiàn)

賈世旺

（中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081）

0 引言

上變頻器是衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路的主要設備,主要功能是完成中頻到射頻的頻率變換,提供適當?shù)脑鲆娌⒛軐崿F(xiàn)鏈路增益的調(diào)整。

EHF頻段（30～300GHz）和其他頻段相比,具有可用帶寬寬、干擾少、設備體積小的特點。EHF頻段通信容量大,可以大大提高擴頻、跳頻等抗干擾、抗截獲措施的性能。目前,國際上EHF頻段軍事通信衛(wèi)星大部分工作在44GHz/20GHz頻段。

EHF頻段上變頻器研制的難點在于:工作頻率高,加工、制造工藝復雜;中頻相對帶寬比較寬,帶內(nèi)幅頻特性指標難實現(xiàn);設備3次變頻的輸出雜散控制比較困難。

1 方案選擇

EHF頻段的上變頻器主要設計技術(shù)指標:

①增益:＞25dB;②幅頻特性:＜5dB/2GHz;③雜散抑制:＜-50dB。

變頻器的設計的關(guān)鍵是設備中的中頻選擇（即頻率配置）以及電平分配。從頻率變換的過程來看,變頻器可以分為一次變頻、二次變頻和多次變頻等形式。

上變頻器中若采用一次變頻方式,由于中頻頻率相對于射頻輸出頻率較低,且射頻輸出工作帶寬大于中頻輸入帶寬,本振頻率會泄露在射頻輸出工作帶寬內(nèi)。為了避免本振頻率的泄露,必須在設備的輸出端加一個抑制本振頻率的帶通濾波器,且該濾波器的中心頻率必須與帶通濾波器和頻率合成器同步可調(diào),這無疑增加了設備的成本和設計難度。

采用2次及2次以上變頻的變頻器中,只需改變頻率合成器的頻率就可選出所需信號,而各濾波器均可設計成頻率和帶寬都固定的濾波器。方案的頻率變化適應性最強,頻率靈活性最佳。但隨著變頻次數(shù)的增加,頻率配置不合適時將出現(xiàn)組合頻率干擾,本振諧波干擾等。

根據(jù)設備技術(shù)指標及頻率接口的要求,并考慮混頻器等器件的技術(shù)指標,設備采用3次變頻的方案實現(xiàn),具體分析見第1中頻頻率選擇。設備變頻過程框圖如圖1所示。

圖1 上變頻器變頻過程框圖

為了下文敘述方便,定義第1級混頻器后的頻率為第1中頻,簡稱IF1;第2級混頻器后的頻率為第2中頻,簡稱IF2;設備中頻輸入簡稱IF。

2 中頻選擇及雜散計算

變頻器設計的關(guān)鍵是雜散的控制。雜散產(chǎn)生的原因一般是由于混頻器在混頻過程中產(chǎn)生的諧波引起的。混頻器是變頻器中至關(guān)重要的器件之一,混頻器的基本用途就是利用本振信號把信號從一個頻率變到另一個頻率。

混頻器利用非線性元件來實現(xiàn)輸入信號、本振信號及2種信號的高次諧波在頻率上的加、減運算。為了提取出有用信號,在混頻后要加上適當?shù)臑V波器,濾除無用的雜散分量。但有些雜散分量（例如帶內(nèi)雜散）是無法通過濾波器濾除的,只能通過調(diào)整信號頻率,避免混頻過程中的雜散頻率落入工作帶內(nèi)。

當混頻器應用在上變頻器中,輸入頻率、輸出頻率和本振頻率存在以下關(guān)系:

式中,frf為混頻器輸出頻率;flo為混頻器本振頻率;fif為混頻器輸入頻率;m、n分別代表本振頻率及輸入頻率的諧波次數(shù)。

如果設備采用多次混頻,前一級混頻的輸出頻率又作為下一級混頻的輸入頻率,導致最終設備的輸出雜散頻率十分豐富,所以在每次混頻后都需要增加濾波器,用于濾除本次混頻產(chǎn)生的雜散信號,避免其進入下一級混頻器。前面提到有些帶內(nèi)雜散信號是無法通過濾波器濾除的。帶內(nèi)雜散信號中的一部分,可以通過調(diào)整混頻器輸入電平來降低雜散信號的電平。

如果在方案設計階段就能計算出雜散的頻率和電平幅度,就可以根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整中頻頻率使得最終設備的雜散能夠滿足要求,實現(xiàn)設備最優(yōu)設計。選擇一個好的中頻頻率,可以降低系統(tǒng)的設計復雜度,提高設備的雜散等指標。

為了確定最優(yōu)的中頻頻率,可以通過公式計算混頻輸出雜散,根據(jù)結(jié)果調(diào)整頻率,再計算,尋找出合適的中頻,周期較長;另一種方法是可以通過微波仿真工具更加直觀、快速尋找出合適的中頻頻率。

Agilent公司的微波設計軟件GENESYS中的頻率規(guī)劃（What IF）綜合設計工具能夠根據(jù)設定的頻率關(guān)系,自動尋找無雜散或雜散最低的區(qū)域,選擇最優(yōu)的中頻頻點,以下的兩次中頻選擇就是應用該軟件實現(xiàn)的。

2.1 中頻頻率選擇

（1）第二中頻頻率IF2選擇

使用頻率規(guī)劃工具,設定混頻的射頻輸出頻率,以及射頻帶寬、中頻帶寬以及本振功率,就可以尋找無雜散或雜散最低的區(qū)域。

中頻選擇仿真結(jié)果如圖2所示。圖中①區(qū)域為沒有雜散區(qū)域;②區(qū)域為存在雜散區(qū)域?？梢钥闯鲭s散電平小于-60dBc的中頻可供選擇的區(qū)域為1.0～20.5GHz。根據(jù)以下2條原則就可以確定中頻IF2的頻率:①工作在毫米波頻段的混頻器,可供選擇商品器件的不多,工作在EHF頻段的混頻器中頻頻率一般不大于4.5GHz,因此IF2的頻率必須小于4.5GHz;②同時因為設備中頻IF2帶寬為2GHz,為了避免2×IF2+LO3信號進入工作帶內(nèi),中頻頻率的最低頻率必須選擇在2GHz以上。綜合考慮將中頻IF2選擇為2GHz以上,4.5GHz以下。

圖2 中頻IF2頻率選擇

（2）第一中頻頻率選擇

當IF2選定后,假設設備采用2次變頻,則IF1頻率為中頻輸入IF（設備輸入頻率為L頻段信號）。此時IF與IF1相隔較近,導致本振頻率無法抑制,所以方案必須采用3次變頻。只有IF1選擇為一個較高的中頻上,才能避免出現(xiàn)上述的問題。

從IF1中頻選擇仿真分析結(jié)果如圖3所示。圖中①區(qū)域為沒有雜散區(qū)域;②區(qū)域為存在雜散區(qū)域。在0～17GHz范圍內(nèi),只有0～450MHz范圍內(nèi)沒有雜散,在其他頻率內(nèi)均存在不同組合的雜散分量。當頻率超過12.35GHz后雜散分量只有-2IF1+3LO1這一個雜散,這一雜散可以通過降低IF1的電平,使得雜散電平降低到設備的要求值。

圖3 中頻IF1頻率選擇

因為L/Ku模塊方案已經(jīng)很成熟,最終中頻IF1頻率選擇在Ku頻段,縮短了設備設計周期。

2.2 雜散分析

確定中頻頻率后,進行雜散分析。第1次混頻后的雜散分析,在IF1帶內(nèi)無雜散頻率產(chǎn)生,帶外主要雜散為f（2,1）,通過混頻后增加帶通濾波器,完全可以將雜散電平抑制到很低的水平,可以忽略。需要注意的是,LO1本振頻率多采用倍頻的方案實現(xiàn),為了防止LO1本振的基頻頻率的多次諧波隨LO1本振進入混頻器,LO1本振輸出后要增加濾波器,用來濾除無用的LO1本振諧波。

第2次混頻雜散分析,在IF2頻率范圍內(nèi),主要雜散為f（-2,-2）、f（3,-2）、f（-4,3）等組合頻率,帶內(nèi)的組合雜散最低次數(shù)為4次,由于第2次混頻采用雙平衡混頻器,m為偶數(shù)的被抵消。雖然7次產(chǎn)物落入帶內(nèi),但可以通過減小輸入的IF1電平,來控制組合干擾的幅度,完全可以滿足變頻鏈路通用指標的要求。

第3次混頻后的雜散分析,在EHF頻率范圍內(nèi)主要雜散信號為f（1,2）。通過調(diào)整中頻入口電平,可以降低雜散信號電平幅度,同時混頻后增加腔體濾波器,對雜散也有一定的抑制。通過以上分析,只要控制好各級混頻器的輸入電平,雜散可以控制在要求的范圍內(nèi)。

2.3 電平分配

根據(jù)以上雜散計算可知,為了降低第2次混頻產(chǎn)生的雜散,必須降低混頻器的輸入電平到-20dBm以下。在此基礎上合理分配每級的增益,以保證設備的各項指標滿足要求。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 中頻選取

EHF頻段上變頻器采用3次變頻技術(shù),中頻頻率的選取尤其重要,一個合適的中頻頻率,不但可以降低設備的雜散電平,而且還可以降低設備的設計難度。

3.2 高精度的制造和裝配工藝

在EHF頻段,波長很短,相同電長度的電路元件實際尺寸會比低頻段的元件尺寸小很多,所使用的放大器、混頻器元件只能采用沒有封裝的管芯,這就對印制板的加工精度、元件安裝精度、焊接精度提出很高的要求。在EHF頻段有些關(guān)鍵尺寸的加工精度要求小于0.01mm。

由于同樣的原因,在該頻段設備裝配過程中要求更加嚴格。裝配過程主要包括:裁板、粘接、鍵合等工序。特別是在粘接及鍵合工序上更加容易出問題。通過對制造和裝配工藝的試驗摸索,很好地解決了毫米波頻段高精度制造和裝配工藝問題。

3.3 EHF頻段變頻技術(shù)

變頻器包含了混頻、濾波、放大等多個環(huán)節(jié)。為了滿足設備指標要求,主要采取了如下的技術(shù)措施:

①采用新型諧波混頻器,降低本振的工作頻率,減小了本振的實現(xiàn)難度;②采用微帶探針形式波導-微帶過渡,通過波導H面的孔插入波導腔中,降低了插入損耗,改善了端口駐波;③采用新型電路,電路在IF2頻率范圍內(nèi),頻率響應小于2dB,保證了整機的幅頻特性指標;④增加了新型結(jié)構(gòu)的均衡補償電路,補償EHF頻段的分布參數(shù)影響,整機2GHz帶寬內(nèi)幅頻特性小于3.5dB,滿足了系統(tǒng)指標需要。

3.4 波導濾波器設計

在設備研制過程中,需要研制EHF頻段的濾波器對本振信號抑制60dB以上。根據(jù)仿真結(jié)果,一般的微帶濾波器很難滿足要求。

波導濾波器具有Q值高,損耗小的特點,波導濾波器能夠滿足指標要求。根據(jù)指標要求,研制了波導濾波器,其帶內(nèi)損耗小于2dB,帶內(nèi)幅頻特性0.5dB/2GHz,對本振頻率的抑制達到64dB以上。經(jīng)整機測試,對雜散信號的抑制滿足設計要求。

4 測試結(jié)果

設備調(diào)試完成后,進行了指標測試。圖4所示的測試曲線為設備幅頻特性補償前后的曲線,從圖中可以看出補償前幅頻特性為8dB左右,補償后為3.5dB,增益也滿足設計要求。設備的雜散輸出最大為-55dBc,1dB輸出功率大于+16dBm。

圖4 幅頻特性補償前后比較

5 結(jié)束語

隨著系統(tǒng)頻率的不斷提升,微波射頻設備的工作頻率越來越高,給設備研制帶來了很大的挑戰(zhàn)。采用3次變頻方案,實現(xiàn)了L頻段到EHF頻段上變頻器,EHF頻段1dB輸出功率大于+16dBm,2GHz帶寬內(nèi)幅頻特性小于3.5dB,指標測試滿足設計要求,關(guān)鍵指標達到國外同類產(chǎn)品水平。設備研制過程中,解決了EHF頻段加工、裝配等關(guān)鍵工藝技術(shù),為同類產(chǎn)品的研制提供了技術(shù)保證。

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