Ka頻段低雜散上變頻器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

楊曉雷 苗利軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所河北石家莊 050081)

1 引言

上變頻器用于實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)到射頻信號(hào)的頻譜搬移，以利于信號(hào)的空間傳輸。Ka 頻段（26.5～40 GHz）和其他頻段相比，具有可用帶寬寬、通信容量大、設(shè)備體積小等特點(diǎn)。在毫米波通信系統(tǒng)中，低雜散Ka 頻段上變頻器作為其中的關(guān)鍵部件，越來(lái)越受到人們的重視。文章對(duì)Ka 頻段低雜散上變頻器的設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。介紹的Ka 頻段低雜散上變頻器采用3 次變頻方案，將UHF 頻段中頻信號(hào)上變頻至Ka 頻段。通過(guò)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，采用高性能混頻器、濾波器等方法，在信號(hào)射頻輸出帶內(nèi)獲得較低的雜散和較為理想的幅頻特性。測(cè)試表明，該上變頻器性能優(yōu)良，工作狀態(tài)穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

2 方案選擇及電路組成

Ka 頻段上變頻器主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：①增益：≥20 dB；②帶內(nèi)平坦度：≤3 dB；③雜散抑制：≥50 dBc。此上變頻器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是各級(jí)中頻選擇及電平分配。從頻率變換的過(guò)程來(lái)看，變頻器可以分為一次變頻、二次變頻和多次變頻等形式。根據(jù)本設(shè)備技術(shù)指標(biāo)及頻率接口的要求,并考慮混頻器等器件的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)選用3 次變頻方案。Ka 頻段上變頻器由變頻鏈路一、變頻鏈路二、變頻鏈路三組成，如圖1所示。

圖1 Ka頻段上變頻器電路組成

變頻鏈路一完成UHF 頻段中頻輸入至L 頻段一中輸出的頻譜搬移；變頻鏈路二完成L 頻段一中信號(hào)至C 頻段二中信號(hào)的頻譜搬移；變頻鏈路三完成C 頻段二中信號(hào)至Ka 頻段射頻信號(hào)的頻譜搬移。其中，變頻鏈路一重點(diǎn)在于低雜散設(shè)計(jì)；變頻鏈路二重點(diǎn)在于帶通濾波器設(shè)計(jì)；變頻鏈路三重點(diǎn)在于增益控制電路、射頻濾波器及Ka 頻段本振源的設(shè)計(jì)。

3 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

3.1 變頻鏈路一的設(shè)計(jì)

變頻鏈路一原理如圖2 所示。

圖2 變頻鏈路一電路組成

輸入的UHF 頻段中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻后輸出L 頻段的一中頻信號(hào)，經(jīng)濾波、放大后輸出。低雜散輸出是變頻鏈路一設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用-5 dBm 本振驅(qū)動(dòng)電平、-0.5 dB 轉(zhuǎn)換增益的高線性、雙平衡、有源混頻器LT5521 來(lái)滿足低雜散要求。該混頻器采用雙平衡式設(shè)計(jì)，使本振到輸出的泄漏很低，有助于抑制偶次諧波的產(chǎn)生并提高本振-射頻輸出的隔離度，從而減輕了輸出濾波器對(duì)本振抑制的壓力。為避免各本振之間的串?dāng)_對(duì)輸出信號(hào)質(zhì)量的影響，必須對(duì)本振信號(hào)進(jìn)行屏蔽、隔離和濾波。雜散信號(hào)主要有：①本振信號(hào)及其諧波泄漏；②輸入信號(hào)及其諧波與本振信號(hào)及其諧波混頻得到的產(chǎn)物。

根據(jù)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，兼顧帶外雜散指標(biāo)，設(shè)計(jì)時(shí)將混頻器輸入電平降到-10 dBm 混頻，可以保證帶內(nèi)雜散優(yōu)于-60 dBc。為避免通道本振成為其它通道的雜散，必須用濾波器濾除。當(dāng)本振電平為-5 dBm 時(shí)，混頻器本振-射頻的隔離度為35.5 dB，混頻后本振電平為-40.5 dBm，當(dāng)輸入-10 dBm 信號(hào)時(shí)，混頻后信號(hào)和本振電平差為30 dB。設(shè)計(jì)選用LC 濾波器，兼顧帶內(nèi)平坦度指標(biāo)，濾波器對(duì)本振抑制優(yōu)于20 dBc，最終變頻鏈路一對(duì)本振的抑制達(dá)到50 dBc 以上。最后，變頻鏈路一的雜散抑制優(yōu)于50 dBc，幅度平坦度優(yōu)于1 dB。

3.2 變頻鏈路二的設(shè)計(jì)

變頻鏈路二組成框圖如圖3 所示。

圖3 變頻鏈路二電路組成

輸入的L 頻段信號(hào)經(jīng)混頻輸出C 頻段信號(hào)，經(jīng)放大、濾波后輸出。對(duì)于該鏈路，設(shè)計(jì)時(shí)必須分腔設(shè)計(jì)，避免本振串?dāng)_形成帶內(nèi)雜散。

變頻鏈路二的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于帶通濾波器的設(shè)計(jì)。C 頻段帶通濾波器既要保證帶內(nèi)平坦度，又要保證帶外抑制。設(shè)計(jì)時(shí)，選用Rogers4350B 板材，其介電常數(shù)為3.48，厚0.508 mm。在工藝保證的同時(shí)，對(duì)濾波器準(zhǔn)確設(shè)計(jì)是濾波器成功的關(guān)鍵，帶通濾波器選用切比雪夫原型設(shè)計(jì)，采用7 階終端短路式微帶濾波器。首先用Ansoft Designer 電路設(shè)計(jì)軟件對(duì)濾波器進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，然后通過(guò)Ansoft HFSS 三維電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)其進(jìn)行精確仿真，最后根據(jù)仿真結(jié)果在電路中對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到滿意的仿真結(jié)果：插損最大3 dB，帶內(nèi)平坦度小于0.5 dB，帶外抑制60 dBc。實(shí)測(cè)時(shí)，濾波器插損約3.2 dB，帶內(nèi)平坦度小于0.5 dB，帶外抑制約55 dBc。

3.3 變頻鏈路三的設(shè)計(jì)

變頻鏈路三原理框圖如圖4 所示。

圖4 變頻鏈路三電路組成

輸入的C 頻段信號(hào)經(jīng)過(guò)增益控制電路后，在混頻器中與Ka 頻段本振信號(hào)混頻、放大、濾波后輸出所需的Ka 頻段信號(hào)。變頻鏈路三的重點(diǎn)在于增益控制電路、射頻濾波器、Ka 頻段本振源的設(shè)計(jì)。理論上，增益控制電路設(shè)置在上變頻器輸出端比較合適，但增益控制電路在Ka 波段實(shí)現(xiàn)非常困難。增益控制電路在上變頻器設(shè)計(jì)中主要考慮以下幾個(gè)方面：①最大增益由輸入最小電平和輸出最大電平?jīng)Q定；②最小可控衰減量由上變頻器最大輸入電平和最大增益決定；③最大可控衰減量由輸出最小電平?jīng)Q定；④增益控制電路衰減過(guò)大時(shí)不能對(duì)噪聲系數(shù)影響太大，否則會(huì)影響輸出信號(hào)的信噪比；⑤增益控制電路衰減過(guò)大時(shí)不能對(duì)雜散抑制指標(biāo)影響太大。綜合考慮，設(shè)計(jì)在C 波段用數(shù)控衰減器實(shí)現(xiàn)上變頻器的增益控制。

射頻濾波器通帶用來(lái)濾除帶外無(wú)用信號(hào)。采用5 節(jié)平行耦合線結(jié)構(gòu)，采用微帶薄膜工藝在0.63 mm 厚陶瓷基片上實(shí)現(xiàn)具體電路。根據(jù)指標(biāo)要求研制了該濾波器，其帶內(nèi)損耗小于4 dB，帶內(nèi)幅頻特性0.5 dB，對(duì)本振頻率的抑制達(dá)到5 dBc 以上。設(shè)計(jì)中，Ka 頻段本振采用鎖相單環(huán)和倍頻來(lái)實(shí)現(xiàn)，工作原理框圖如圖5 所示。

圖5 Ka 頻段本振原理框圖

相位噪聲計(jì)算如下：鑒相頻率50 MHz，此時(shí)鑒相器的本底相噪指標(biāo)為-156 dBc/Hz@10 kHz，輸出頻率的倍頻次數(shù)為125，則輸出信號(hào)相噪指標(biāo)為-156+20lg125≈-114 dBc/Hz，后又經(jīng)過(guò)4 倍頻器相噪惡化12 dB，由環(huán)路及其部件引入的噪聲影響一般變差3 dB，最終輸出理論相噪指標(biāo)可達(dá)到-99 dBc/Hz@10 kHz。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 微組裝技術(shù)

采用微組裝工藝實(shí)現(xiàn)有源電路MMIC 與無(wú)源電路的混合集成，可以有效的減小體積，達(dá)到小型化的目的，但同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)人員、工藝人員的要求也進(jìn)一步提高，寬帶電路對(duì)微組裝的工藝細(xì)節(jié)更加敏感，特別是比較高的Ka 頻段。

在Ka 頻段，金絲互連結(jié)構(gòu)的高頻效應(yīng)主要影響到增益平坦度、回波損耗等指標(biāo)，對(duì)于寬帶射頻電路更是如此。金絲焊接的性能受如下因素影響：①金絲的條數(shù)、粗細(xì)、長(zhǎng)度、拱高；②金絲與金絲間的間距；③金絲距離微帶線的高度。金絲互連時(shí)金絲的拱高應(yīng)盡量低，同時(shí)也應(yīng)盡量降低微波芯片焊盤與傳輸線之間的高度。金絲的拱高對(duì)微波電氣性能存在的影響有幾個(gè)方面：①拱度過(guò)高帶來(lái)的局部高阻抗會(huì)導(dǎo)致與微波芯片的連接失配，進(jìn)而導(dǎo)致駐波比變差；②拱度過(guò)高還會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的高頻效應(yīng)，使微波電路出現(xiàn)自激，導(dǎo)致微波電路無(wú)法正常工作。

通過(guò)仿真，得到如下結(jié)論：①在單根鍵合金絲、同跨距的情況下，拱高越平、越低對(duì)微波傳輸特性的影響越小。但平直鍵合金絲受到溫度沖擊或震動(dòng)時(shí)容易發(fā)生斷裂，所以鍵合金絲須保持適當(dāng)?shù)墓案?；②在同拱高的情況下，跨距越短對(duì)微波傳輸特性影響越小；③雙金絲的駐波比、插入損耗性能優(yōu)于單金絲；三根金絲的性能稍有提高，但金絲根數(shù)越多性能提高越不明顯；④金絲發(fā)散式排列時(shí)，能夠獲得更好的微波傳輸特性。為此，設(shè)計(jì)在試驗(yàn)和實(shí)際電路的組裝中都采用了發(fā)散式排列三金絲互連結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。

圖6 發(fā)散分布互連三金絲結(jié)構(gòu)

微波管芯的接地狀況對(duì)增益、插入損耗、變頻損耗等有較大影響，接地不好會(huì)導(dǎo)致芯片自激、諧振，進(jìn)而引起電路的串?dāng)_。微波芯片良好的接地需要用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電膠均勻、無(wú)氣泡的將基片或可伐材料粘接在腔體上，任何氣泡都會(huì)帶來(lái)意外的分布電容加載，使得微波傳輸特性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致不連續(xù)性，在微波傳輸線上出現(xiàn)較強(qiáng)的反射，輕則降低微波有源器件的增益，重則帶來(lái)不穩(wěn)定性和振蕩，導(dǎo)致微波電路自激。所以微組裝工藝必須保證電路接地良好。

4.2 寬帶增益平坦度技術(shù)

對(duì)于寬帶上變頻器的增益平坦度而言，影響的因素有很多：①無(wú)源器件在工作頻段內(nèi)不平坦，例如：濾波器通帶邊緣的衰減要比通帶中心大些，微帶線拐角在高頻時(shí)的反射會(huì)大一些；②微波混頻器、微波放大器等MMIC 器件在工作頻段內(nèi)插入損耗或增益的不平坦；③各種吸收點(diǎn)，比如微組裝出現(xiàn)的高頻寄生效應(yīng)、腔體設(shè)計(jì)的不合理、濾波電路中電感的諧振等原因造成的諧振等；④混頻器本振端輸入不同頻率的增益平坦度；⑤微波器件之間阻抗不匹配或匹配不好。

為了實(shí)現(xiàn)較好的寬帶增益特性：①應(yīng)通過(guò)設(shè)計(jì)避免吸收點(diǎn)造成的影響，控制好微組裝工藝細(xì)節(jié)對(duì)寬帶射頻信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，包括金絲鍵合的寄生參數(shù)、同軸－微帶轉(zhuǎn)接頭的駐波特性、以及螺旋電感和單層電容的諧振等；②混頻器、放大器等MMIC 芯片本身插入損耗或增益的不平坦基本上都是線性的，必要時(shí)可以設(shè)計(jì)幅度均衡器進(jìn)行補(bǔ)償；③在設(shè)計(jì)小型化濾波器等器件時(shí)要給通帶留一定的余量，在滿足帶外抑制的前提下盡量擴(kuò)展濾波器的帶寬，使濾波器的應(yīng)用頻帶內(nèi)具有比較好的平坦度。

另外，各微波器件之間阻抗不匹配導(dǎo)致的幅度不平坦性，一般情況下可以通過(guò)以下措施解決：①對(duì)微波器件駐波比達(dá)不到指標(biāo)要求的，通過(guò)外圍電路的設(shè)計(jì)加以改善，必要時(shí)可以加3 dB 以上的衰減器改善駐波比；②在微波頻段，各器件的級(jí)聯(lián)變得很困難，任何小的阻抗失配都會(huì)對(duì)平坦度造成很大影響，通過(guò)調(diào)整各級(jí)電路的匹配狀態(tài)，增加電路中各級(jí)的隔離度等方法，達(dá)到各器件的良好匹配；③仔細(xì)篩選器件，確保在工作頻段內(nèi)具有良好的幅度特性和阻抗特性；④仿真設(shè)計(jì)的濾波器等電路，必須保證良好的駐波比及平坦度指標(biāo)，避免由于匹配不好造成濾波器波形的變化；⑤中頻帶通濾波器設(shè)計(jì)為平頂帶寬，避免中頻濾波器邊緣下降對(duì)射頻通帶平坦度的影響。

5 上變頻器性能指標(biāo)

最后，測(cè)得的整個(gè)Ka 頻段上變頻器性能指標(biāo)如下：①增益：≥20 dB；②增益平坦度：≤2 dB；③雜散抑制：≥50 dBc；④增益控制范圍：30 dB 步進(jìn)0.5 dB；⑤相位噪聲：優(yōu)于-99 dBc/Hz@10 kHz，測(cè)試結(jié)果表明Ka 頻段上變頻器指標(biāo)優(yōu)良。

6 結(jié)束語(yǔ)

介紹了低雜散Ka 頻段上變頻器的設(shè)計(jì)，對(duì)其中的關(guān)鍵電路進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述，對(duì)雜散產(chǎn)生及其抑制進(jìn)行了分析。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)為低雜散上變頻器提供了一種適宜工程實(shí)現(xiàn)的方法。

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