一種星載V 頻段接收機的設計①

鄧向科,張文政,李正綱

(中國空間技術研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

目前,通信衛(wèi)星系統(tǒng)向著更高頻率、更寬信號帶寬及通信容量(Tpbs)的方向發(fā)展[1-4]。 近年來高通量通信衛(wèi)星系統(tǒng)(HTS)不斷發(fā)展[5-9]。 HTS 系統(tǒng)信道帶寬很寬,能夠為用戶提供高速的Internet 業(yè)務,特別是艦船、飛機等動中通業(yè)務和偏遠地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)絡業(yè)務,為HTS 衛(wèi)星系統(tǒng)專屬業(yè)務領域。 HTS 衛(wèi)星系統(tǒng)要實現(xiàn)通信容量的跨越式發(fā)展,重點需要突破帶寬資源的限制,提升頻譜利用效率。 頻率利用效率受通信體制、地面系統(tǒng)、星上載荷等多方面工程因素制約,并且理論上也存在香農極限的制約。 因此,拓展帶寬資源是技術突破的重要方向。 Q/V 頻段帶寬資源豐富,可提供給通信業(yè)務5 GHz 的帶寬,把HTS 載荷頻率拓展到Q/V 頻段是高通量通信系統(tǒng)的必然技術。 V 頻段接收機作為Q/V 饋電載荷中的關鍵設備[10-13],實現(xiàn)地面V 頻段上行信號的低噪聲接收、變頻及放大。 文章報導一種采用多芯片組件(MCM)技術的星載V 頻段接收機的設計和工程實現(xiàn)方法。 解決了毫米波頻段星載接收機的穩(wěn)定性設計、寬帶互聯(lián)設計和整機集成設計技術。

1 V 頻段接收機方案及組成

1.1 指標要求

V 頻段接收機的功能指標如下所示:

輸入頻率:49 ~51.5 GHz

輸出頻率:17.7 ~20.2 GHz

工作帶寬:2.5 GHz

本振頻率:31.3 GHz

增益:60±2 dB

增益平坦度:2.5 dB

噪聲系數(shù):4.5 dB

可以看出該接收機頻段高、帶寬寬,對產(chǎn)品的高頻寬帶互聯(lián)特性,射頻集成方式提出了較大挑戰(zhàn)。

1.2 設計方案及組成

V 頻段接收機主要由V 頻段低噪放模塊、V/Ka下變頻器射頻MCM 模塊、本振MCM 模塊和二次電源四部分組成,接收機的實現(xiàn)框圖如圖1 所示。

圖1 V 頻段接收機組成框圖Fig.1 Building blocks of V band receiver

1)V 頻段低噪聲放大器模塊采用基于MHEMT低噪聲工藝的微波單片集成電路芯片(MMIC),通過多級級聯(lián)封裝在一只波導管殼內,實現(xiàn)接收機前端低噪聲接收和放大功能。

2)V/Ka 下變頻通道采用一次變頻實現(xiàn)V 頻段信號至Ka 頻段信號的變頻、濾波和放大。 該模塊基于MCM 技術,所有電路均通過裸芯片實現(xiàn),封裝在統(tǒng)一的管殼內。 為實現(xiàn)腔體隔離和電磁屏蔽,射頻鏈采取獨立分腔,腔體間通過垂直互聯(lián)實現(xiàn)信號傳輸。

3)本振電路[14]通過梳妝譜發(fā)生器和數(shù)字混頻環(huán)電路將輸入的100 MHz 參考鎖定在C 頻段,再經(jīng)過8 倍頻得到最終的本振信號。 該模塊也采用MCM 技術,所有電路均通過裸芯片實現(xiàn),封裝在統(tǒng)一的管殼內。

2 單元電路仿真與關鍵技術實現(xiàn)

2.1 V 頻段低噪放

2.1.1 低噪放穩(wěn)定性設計

V 頻段低噪放工作頻率高,同時采用70 nm 工藝的低噪聲放大器單片的增益在高頻下降緩慢,給低噪放整體的穩(wěn)定性設計提出了較大挑戰(zhàn)。 本文對低噪放腔體和電路基板布局進行三維全波電磁仿真,其本基模電磁場分布及穩(wěn)定性仿真結果如圖2所示。

圖2 V 頻段低噪放基模電場分布及穩(wěn)定性仿真Fig.2 Simulation of V band LNA electromagnetic field and stability factor

模塊使用的MMIC 低噪聲放大器單片在上述諧振頻率處增益均小于0 dB,因此不存在諧振耦合導致放大鏈路閉環(huán)增益大于0 dB 的風險,理論上不存在這種形式的自激產(chǎn)生。 同時由基模電磁場云圖可知,諧振電磁場未在射頻傳輸路徑上,且該諧振場集中的地方本文設計了低頻的饋電電路進一步破壞了該模式的場分布,因此不存在該模式導致的自激風險。

2.1.2 V 頻段微帶至波導轉換設計

低噪放電路對噪聲系數(shù)要求嚴苛,波導至微帶轉換電路位于低噪放的前級,其插入損耗直接影響了整體電路的噪聲系數(shù)特性。 本文采取微帶探針的形式實現(xiàn)微帶至波導的轉換,保證電路低插入損耗。具體結構如圖3 所示,將微帶片伸入波導E 面,其仿真結果如圖3 所示。

圖3 V 頻段波導微帶轉換仿真Fig.3 Simulation of V band waveguide to microstrip transition

2.1.3 低噪放整體設計

V 頻段低噪聲放大器模塊采用非密封波導形式的結構,整個模塊的輸入輸出波導口從寬邊被等分劈成兩半,從波導寬邊劈開可以保證劈開的縫隙不割斷波導內壁的射頻電流路徑,減小了輻射損耗,也改善了EMC 性能。

通過將結構和電路進行場路結合仿真,得到的低噪放整體仿真結果如圖4 所示。 從仿真結果可知,V 頻段低噪放噪聲系數(shù)為3. 5 dB,增益大于40 dB,滿足指標要求。

圖4 V 頻段低噪放仿真曲線Fig.4 Simulation of V band LNA

2.2 V/Ka 變頻通道

2.2.1 V 頻段微帶-同軸-波導轉換設計

變頻部分電路對噪聲系數(shù)要求不高,在V 頻段采用了微帶-同軸-波導的轉換電路,應用此結構的好處是管殼中使用一段玻璃同軸絕緣子實現(xiàn)信號傳輸,可以保證整個電路的密封性。

該轉換電路包括兩個部分,波導至同軸轉換采用E 面探針的形式,同軸至微帶的轉換采用空氣同軸補償設計,極大的改善了高頻的互聯(lián)特性,其仿真模型和仿真結果如圖5 和圖6 所示。 從仿真結果可看出,兩端過渡結構在 V 頻段回波損耗均優(yōu)于-20 dB,滿足整體的互聯(lián)要求。

圖5 V 頻段波導同軸轉換仿真Fig.5 Simulation of V band waveguide to coaxial transition

圖6 V 頻段同軸微帶轉換仿真Fig.6 Simulation of V band coaxial to microstrip transition

表1 V 頻段波導同軸轉換模型參數(shù)Tab.1 Parameters of V band waveguide to coaxial transition

表2 V 頻段同軸微帶轉換模型參數(shù)Tab.2 Parameters of V band coaxial to microstrip transition

2.2.2 V/Ka 變頻通道整體設計

V/Ka 變頻通道采取采用MCM 技術實現(xiàn)多芯片的集成,整個電路采用正反兩面布局。 射頻面共分為5 個獨立的腔體。 在電路的正面有一個高頻腔體,其功能上實現(xiàn)V 頻段信號的放大,V 頻段至Ka 頻段信號的變頻。 該腔體內信號組成復雜,頻率范圍從Ka 頻段至V 頻段,本文重點分析了該腔體內的頻率分量及諧振模式分布。 對腔體內部的結構和電路基板進行了詳細的建模。 得到最低的諧振頻率為41 GHz,通過觀察整個腔體的諧振場分布,可看出該腔體的前5 個諧振模式均集中在混頻后低頻腔體,該低頻腔體的最高工作頻率21 GHz 遠遠小于第一諧振模式41 GHz。 此外,高頻腔體傳輸和隔離特性對模塊穩(wěn)定性影響較大,本文對含有電路基板的腔體傳輸和隔離進行了詳細仿真,仿真結果表明其各端口的隔離特性遠大于有源芯片的增益。 綜合上述兩點分析,設計可以保證電路的穩(wěn)定性。

在上述工作的基礎上,將有源芯片的S 參數(shù)文件和結構與電路基板三維電磁場仿真得到的多端口S 參數(shù)文件進行級聯(lián),得到變頻通道場路結合整體仿真的結果如圖7、圖8 所示。

圖7 V 頻段變頻器仿真結果Fig.7 Simulation of V band convertor

圖8 V 頻段變頻器實物Fig.8 Photograph of V band convertor

2.3 本振電路設計

本振電路實現(xiàn)框圖如圖1 所示,其主要包含鎖相環(huán)電路和倍頻電路兩部分。 其中頻率源電路基于諧波發(fā)生加混頻的設計原理,將輸入?yún)⒖夹盘柦?jīng)過功分器一分為二,一路作為微波鎖相頻率源的參考信號,另一路經(jīng)過放大后作為諧波發(fā)生器的輸入信號,諧波發(fā)生器產(chǎn)生的信號經(jīng)過帶通濾波器濾波后作為混頻器的射頻輸入信號,振蕩器輸出的信號耦合一部分再作為混頻器本振輸入信號。 混頻后的中頻信號經(jīng)過濾波放大后進入鑒相器與參考信號進行鑒相,實現(xiàn)環(huán)路對振蕩器輸出信號的鎖定。 該頻率源輸出的信號經(jīng)過8 倍頻鏈路倍頻后得到最終的V頻段接收機本振信號。

3 V 頻段接收機實物驗證結果

對V 頻段接收機的主要性能進行了詳細測試,測試結果如表3 所列,增益平坦度和噪聲系數(shù)實測曲線如圖9 所示。

圖9 增益平坦度及噪聲系數(shù)測試曲線Fig.9 Test curve of gain flatness and noise figure

表3 V 頻段接收機性能指標Tab.3 Performance and requirement of V band receiver

4 結論

本文給出了一種星載V 頻段接收機的設計和工程實現(xiàn)方法。 通過精確仿真實現(xiàn)了毫米波頻段星載接收機的高性能指標。 設備的工作帶寬達到2.5 GHz,是現(xiàn)有通信衛(wèi)星載荷中帶寬最寬的接收機。 噪聲系數(shù)小于3.5 dB,滿足系統(tǒng)使用要求。同時通過采用微波多芯片組件技術進行集成,使得設備的重量大大減小,且目前已經(jīng)通過了地面鑒定級試驗驗證,完全具備上行應用的條件。 后續(xù)還將進行地面壽命加速試驗,進一步積累接收機地面可靠性驗證數(shù)據(jù)。