EHF頻段混頻器的設(shè)計與實現(xiàn)

朱淇銳 朱晟 甘啟宇

摘? 要：本文闡述了一種EHF頻段頻率范圍為39GHz-41GHz混頻器的實現(xiàn)方案，介紹了混頻器的系統(tǒng)構(gòu)成和功能，在實現(xiàn)一定增益的同時能夠保證設(shè)備的雜散和幅頻特性等指標。將混頻器、微帶濾波器、微帶轉(zhuǎn)波導、波導濾波器進行一體化設(shè)計和加工，利用HFSS進行仿真，并給出測試結(jié)果，驗證了方案的可行性，實現(xiàn)了整個鏈路的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和小型化。該設(shè)計方案能夠廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信;EHF頻段;混頻器;濾波器;微帶-波導轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TN927.2;TN773.4? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）07-0064-03

Abstract：This article describes an achievement to design a kind of Mixer at EHF-band of 39GHz-41GHz. The system composition and function of mixer are introduced. The certain gain can be achieved as well as the output spurious and amplitude–frequency characteristics. The mixer，microstrip filter，microstrip-waveguide converter and waveguide filter are integrated designed and processed. High Frequency Structure Simulator （HFSS） software is used to simulate and present the tested results. The feasibility of the design is verified，and the structure stability and miniaturization are realized. The design method can be used in satellite communications widely.

Keywords：satellite communication;EHF-band;mixer;filter;microstrip-waveguide conversion

0  引? 言

隨著微波毫米波技術(shù)的不斷發(fā)展，無線電頻譜資源越來越緊張。衛(wèi)星通信在C和Ku波段已顯得十分擁擠，在Ka頻段也已經(jīng)發(fā)展成熟并得到了廣泛的應(yīng)用。低頻段資源滿足不了日益增長的業(yè)務(wù)需求，衛(wèi)星通信不斷向更高的頻段發(fā)展，極高頻EHF（Extremely High Frequency）成為目前衛(wèi)星通信研究的熱點頻段。

EHF頻段范圍為30GHz～300GHz。美軍在20世紀80年代實施了Milstar軍事星系統(tǒng)，其終端上行頻率為44GHz的EHF頻段，下行頻率為20GHz的超高頻（Super High Frequency，SHF），為美軍提供實時、靈活、抗干擾的全球通信服務(wù)。發(fā)展到第三代后先進極高頻（Advanced Extremely High Frequency，AEHF）系統(tǒng)逐漸取代了Milster系統(tǒng)，其波束更小、功率更高，為美軍提供高容量、高生存能力、抗干擾、全球范圍的安全通信系統(tǒng)。

由此可見，EHF頻段具有頻率資源豐富、系統(tǒng)容量大、抗干擾能力強、系統(tǒng)尺寸小等優(yōu)點，在軍事領(lǐng)域上有著重要的意義，將成為下一代衛(wèi)星通信發(fā)展方向之一。EHF頻段混頻器的主要功能是提供EHF頻段射頻信號，將廣泛應(yīng)用于EHF頻段發(fā)射機。

1? 系統(tǒng)組成和功能

EHF頻段混頻器由EHF頻段混頻器、EHF頻段微帶濾波器、EHF頻段微帶轉(zhuǎn)波導、EHF頻段波導濾波器4部分組成。輸入中頻信號與本振信號，經(jīng)混頻器一次變頻后輸出EHF射頻信號，再通過EHF頻段微帶濾波器和波導濾波器濾除器件所產(chǎn)生的諧波后提供給后級純凈的EHF頻段射頻信號。其中中頻信號與本振信號通過同軸連接器連接，微帶濾波器與波導濾波器間通過微帶轉(zhuǎn)波導過渡，最終射頻輸出為矩形波導輸出。設(shè)計框圖如圖1所示。

2? 設(shè)計與實現(xiàn)

2.1? EHF頻段混頻器

混頻是將信號從一個頻率變換到另一個頻率的過程，混頻器輸出信號頻率通常是兩輸入信號頻率的和值或者差值。由于一次變頻結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于維護，本設(shè)計混頻器采用一次變頻方案，通過加法實現(xiàn)中頻（IF）、本振（LO）到射頻（RF）的頻譜搬移：fIF+fLO=fRF，故fLO=fRF-fIF=39GHz-3GHz=36G。即混頻器將頻率范圍為3GHz～5GHz的中頻信號上變頻至頻率范圍為39GHz～41GHz的射頻信號，本振信號頻率為36GHz。由于本振信號頻率較高，本設(shè)計采用分諧波混頻的方案，可降低本振頻率設(shè)計的復雜度。本設(shè)計中選用ADI公司生產(chǎn)的分諧波混頻器芯片HMC1093，該芯片為4次分諧波混頻，所需輸入的本振信號頻率即為9GHz。HMC1093芯片通過微組裝焊接在混頻器結(jié)構(gòu)腔體上，通過金絲鍵合工藝與中頻、本振、射頻信號線連接。HMC1093主要器件參數(shù)如表1所示。

2.2? EHF頻段微帶濾波器

EHF頻段微帶濾波器的主要目的是抑制HMC1093芯片產(chǎn)生的4LO和5LO雜散信號，本次設(shè)計采用平行耦合微帶線的形式實現(xiàn)濾波的功能。平行耦合微帶帶通濾波器由兩條平行微帶傳輸線按一定間距排列構(gòu)成，每條單獨的微帶線都可以等價為串聯(lián)電感和并聯(lián)電容，兩個傳輸線之間電磁場相互作用，產(chǎn)生功率耦合，使信號從一條微帶線耦合到另一條微帶線，構(gòu)成濾波器的基本單元。單對耦合線組難以獲得良好的帶通濾波器特性，采用多對耦合線組級聯(lián)的形式即構(gòu)成工程上所應(yīng)用的平行耦合微帶帶通濾波器。該濾波器設(shè)計簡單，可使用ADS軟件進行計算和快速優(yōu)化，再使用HFSS軟件獲得精確的結(jié)果及修正。各節(jié)微帶線長度影響中心頻率，微帶線寬度決定阻抗，微帶線間距影響耦合度，耦合線組數(shù)量決定濾波器帶寬與帶外抑制，通過優(yōu)化這些變量以獲得所需的頻率響應(yīng)。優(yōu)化后濾波器帶內(nèi)VSWR<-25dB，帶內(nèi)損耗小于0.22dB，抑制28dB@36GHz、20dB@45GHz。HFSS模型與仿真結(jié)果如圖2。

2.3? EHF頻段微帶轉(zhuǎn)波導

微帶轉(zhuǎn)波導是一種應(yīng)用廣泛的微波器件，通常有脊波導、過渡鰭線、微帶探針等幾種形式。相對而言微帶探針形式具有頻帶寬、回波損耗小、插入損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、密封性好和易于加工裝配等優(yōu)點。本設(shè)計采用H面微帶探針的形式，微帶探針從波導寬面插入波導腔體，在探針上形成大的激勵電流，傳輸模式由波導TE10模轉(zhuǎn)換為微帶準TEM模。探針后串聯(lián)一段合適的高阻線抵消其附加電抗，并最終匹配到50Ω負載。其主要優(yōu)化變量為各節(jié)微帶線的長度和寬度、開口的大小以及短路面的距離。波導處進行倒角以滿足加工要求。優(yōu)化后VSWR<-34dB，損耗小于0.1dB，其-25dB帶寬可覆蓋34GHz～50GHz。HFSS模型和仿真結(jié)果如圖3。

2.4? EHF頻段波導濾波器

波導濾波器具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、插損小、抑制高等優(yōu)點。波導濾波器一般由連續(xù)傳輸線段和不連續(xù)傳輸段組成，不連續(xù)段等效電抗，連續(xù)傳輸段等效諧振腔。在矩形波導中按一定間距插入對稱的金屬膜片，形成諧振腔，調(diào)節(jié)膜片厚度控制帶內(nèi)插損，調(diào)節(jié)諧振腔長度控制中心頻率。利用膜片產(chǎn)生的反射波來抵消由于負載不匹配所產(chǎn)生的反射波，以達到良好的匹配。EHF波導濾波器主要抑制HMC1093芯片產(chǎn)生的4LO和5LO雜散信號，輸入與輸出端增加過渡階梯，信號從水平方向傳輸轉(zhuǎn)為垂直方向傳輸，便于安裝與測試。仿真結(jié)果帶內(nèi)VSWR<-31.4dB，帶內(nèi)損耗小于0.1dB，抑制42.7 dB@36GHz、27dB@45GHz。HFSS模型和仿真結(jié)果如圖4。

3? 加工測試

加工物料包括混頻器各金屬結(jié)構(gòu)以及印制板，金屬結(jié)構(gòu)要求選擇加工性能優(yōu)良、硬度高、電鍍性好的材料進行機加工。由于EHF頻段頻率（40GHz）高、波長（7.5mm）小，部分加工尺寸小于1mm，且對尺寸十分敏感，需嚴格控制加工公差?；祛l器、微帶濾波器及微帶轉(zhuǎn)波導部分微組裝于混頻器結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)，利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以及散熱。波導濾波器通過螺釘與混頻器腔體安裝，兩側(cè)安裝有射頻連接器以輸入中頻信號和本振信號，形成一體化混頻器模塊。

測試設(shè)備包括直流穩(wěn)壓電源、信號源、頻譜以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，直流穩(wěn)壓電源提供給混頻器穩(wěn)定電壓并檢測電流，信號源提供中頻信號和本振信號，頻譜儀測試整個模塊的輸出功率，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可測試端口回波損耗和插入損耗等無源性能。從測試結(jié)果中可看出整個模塊輸出功率為-14dBm～-19dBm，減去變頻損耗-13dB，整個模塊增益為-1dB～-6dB?？紤]到加工誤差和微組裝工藝，鏈路性能在EHF頻段滿足要求。測試結(jié)果與組裝圖如圖5所示。

4? 結(jié)? 論

本文分析了EHF頻段混頻器系統(tǒng)的構(gòu)成和各單元的功能，介紹了EHF頻段混頻器的頻率變換和器件參數(shù)，闡述了平行耦合微帶帶通濾波器、微帶波導轉(zhuǎn)換、波導膜片濾波器的特性與設(shè)計原理。利用電磁仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）對上述器件建模并進行仿真優(yōu)化，計算出仿真結(jié)果，中心頻率、帶寬、帶內(nèi)損耗、帶外抑制均滿足設(shè)計要求。加工出實物，使用微組裝工藝進行了組裝，在頻率高公差大的情況下，測試結(jié)果仍然滿足預期要求，具有良好的實用性，可廣泛用于EHF頻段衛(wèi)星通信鏈路，其研制成功對于EHF頻段衛(wèi)星通信有著重要意義。

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作者簡介：朱淇銳（1993.02-），男，漢族，湖南人，射頻工程師，學士學位，研究方向：微波電路、衛(wèi)星通信;朱晟（1990.11-），男，漢族，湖南人，工程師，碩士，研究方向：衛(wèi)星通信;甘啟宇（1990.04-），男，漢族，廣西人，射頻工程師，碩士，研究方向：微波電路、衛(wèi)星通信。