EHF頻段上變頻器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

EHF 頻段是下一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)優(yōu)選的工作頻段，設(shè)備的研制越來(lái)越迫切。上變頻器是系統(tǒng)中關(guān)鍵的設(shè)備，通過(guò)應(yīng)用仿真軟件對(duì)頻率配置、雜散等指標(biāo)進(jìn)行了仿真分析， 研制了上變頻器，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了L 頻段到EHF 頻段2 GHz帶寬的頻率變換，EHF 頻段1 dB輸出功率大于+ 16 dBm ，2 GHz 帶寬內(nèi)幅頻特性小于315 dB 。通過(guò)增加補(bǔ)償措施，實(shí)現(xiàn)較小的帶內(nèi)幅頻特性。

引言

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

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

EHF 頻段上變頻器研制的難點(diǎn)在于：工作頻率高，加工、制造工藝復(fù)雜;中頻相對(duì)帶寬比較寬，帶內(nèi)幅頻特性指標(biāo)難實(shí)現(xiàn);設(shè)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(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：

①增益：> 25 dB ;

②幅頻特性：< 5 dB/ 2 GHz ;

③雜散抑制：< - 50 dB。

變頻器的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是設(shè)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(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。

上變頻器中若采用一次變頻方式，由于中頻頻率相對(duì)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(huì)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(shè)備的輸出端加一個(gè)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(wú)疑增加了設(shè)備的成 本和設(shè)計(jì)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(hào)，而各濾波器均可設(shè)計(jì)成頻率和帶寬都固定的濾波器。方案的頻率變化適應(yīng)性最強(qiáng)，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(shí)將出現(xiàn)組合頻率干擾，本振諧波干擾等。

根據(jù)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)備采用3次變頻的方案實(shí)現(xiàn)，具體分析見(jiàn)第1中頻頻率選擇。設(shè)備變頻過(guò)程框圖如圖1 所示。

為了下文敘述方便，定義第1 級(jí)混頻器后的頻率為第1 中頻，簡(jiǎn)稱IF1 ;第2 級(jí)混頻器后的頻率為第2 中頻，簡(jiǎn)稱IF2 ;設(shè)備中頻輸入簡(jiǎn)稱IF。

2、中頻選擇及雜散計(jì)算

變頻器設(shè)計(jì)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(guò)程中產(chǎn)生的諧波引起的?；祛l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(hào)把信號(hào)從一個(gè)頻率變到另一個(gè)頻率。

混頻器利用非線性元件來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)、本振信號(hào)及2 種信號(hào)的高次諧波在頻率上的加、減運(yùn)算。為了提取出有用信號(hào)，在混頻后要加上適當(dāng)?shù)臑V波器，濾除無(wú)用的雜散分量。但有些雜散分量(例如帶內(nèi)雜散) 是無(wú)法通過(guò)濾波器濾除的，只能通過(guò)調(diào)整信號(hào)頻率，避免混頻過(guò)程中的雜散頻率落入工作帶內(nèi)。

當(dāng)混頻器應(yīng)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：

frf = ±mflo ±nfif 。(1)

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(shè)備采用多次混頻，前一級(jí)混頻的輸出頻率又作為下一級(jí)混頻的輸入頻率，導(dǎo)致最終設(shè)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(hào)，避免其進(jìn)入下一級(jí)混頻器。前面提到有些帶內(nèi)雜散信號(hào)是無(wú)法通過(guò)濾波器濾除的。帶內(nèi)雜散信號(hào)中的一部分，可以通過(guò)調(diào)整混頻器輸入 電平來(lái)降低雜散信號(hào)的電平。

如果在方案設(shè)計(jì)階段就能計(jì)算出雜散的頻率和電平幅度，就可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整中頻頻率使得最終設(shè)備的雜散能夠滿足要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)備最優(yōu)設(shè)計(jì)。選擇一個(gè)好的中頻頻率，可以降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高設(shè)備的雜散等指標(biāo)。

為了確定最優(yōu)的中頻頻率，可以通過(guò)公式計(jì)算混頻輸出雜散，根據(jù)結(jié)果調(diào)整頻率，再計(jì)算，尋找出合適的中頻，周期較長(zhǎng);另一種方法是可以通過(guò)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(shè)計(jì)軟件GENESYS 中的頻率規(guī)劃(What IF) 綜合設(shè)計(jì)工具能夠根據(jù)設(shè)定的頻率關(guān)系，自動(dòng)尋找無(wú)雜散或雜散最低的區(qū)域，選擇最優(yōu)的中頻頻點(diǎn)，以下的兩次中頻選擇就是應(yīng)用該軟件實(shí)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(shè)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(wú)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?yàn)闆](méi)有雜散區(qū)域; ②區(qū)域?yàn)榇嬖陔s散區(qū)域。可以看出雜散電平小于- 60 dBc 的中頻可供選擇的區(qū)域?yàn)?. 0～20. 5 GHz。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. 5 GHz ，因此IF2 的頻率必須小于4. 5 GHz ; ② 同時(shí)因?yàn)樵O(shè)備中頻IF2 帶寬為2 GHz ， 為了避免2 ×IF2 +LO3 信號(hào)進(jìn)入工作帶內(nèi)，中頻頻率的最低頻率必須選擇在2 GHz以上。綜合考慮將中頻IF2 選擇為2 GHz 以上，4. 5 GHz以下。

(2) 第一中頻頻率選擇

當(dāng)IF2 選定后，假設(shè)設(shè)備采用2 次變頻，則IF1頻率為中頻輸入IF(設(shè)備輸入頻率為L(zhǎng) 頻段信號(hào)) 。此時(shí)IF 與IF1 相隔較近，導(dǎo)致本振頻率無(wú)法抑制，所以方案必須采用3 次變頻。只有IF1 選擇為一個(gè)較高的中頻上，才能避免出現(xiàn)上述的問(wèn)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?yàn)闆](méi)有雜散區(qū)域; ②區(qū)域?yàn)榇嬖陔s散區(qū)域。在0～17 GHz 范圍內(nèi)，只有0～450 MHz 范圍內(nèi)沒(méi)有雜散，在其他頻率內(nèi)均存在不同組合的雜散分量。當(dāng)頻率超過(guò)12. 35 GHz 后雜散分量只有- 2IF1 +3LO1 這一個(gè)雜散，這一雜散可以通過(guò)降低IF1 的電平，使得雜散電平降低到設(shè)備的要求值。

因?yàn)長(zhǎng)/ 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(shè)備設(shè)計(jì)周期。

2. 2、雜散分析

確定中頻頻率后， 進(jìn)行雜散分析。第1 次混頻后的雜散分析，在IF1 帶內(nèi)無(wú)雜散頻率產(chǎn)生，帶外主要雜散為f (2 ，1) ， 通過(guò)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(shí)現(xiàn)，為了防止LO1 本振的基頻頻率的多次諧波隨LO1 本振進(jìn)入混頻器，LO1 本振輸出后要增加濾波器，用來(lái)濾除無(wú)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(guò)減小輸入的IF1 電平，來(lái)控制組合干擾的幅度，完全可以滿足變頻鏈路通用指標(biāo)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(hào)為f (1 ，2) 。通過(guò)調(diào)整中頻入口電平，可以降低雜散信號(hào)電平幅度，同時(shí)混頻后增加腔體濾波器，對(duì)雜散也有一定的抑制。通過(guò)以上分析，只要控制好各級(jí)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(jì)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- 20 dBm以下。在此基礎(chǔ)上合理分配每級(jí)的增益，以保證設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)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(gè)合適的中頻頻率，不但可以降低設(shè)備的雜散電平，而且還可以降低設(shè)備的設(shè)計(jì)難度。

3. 2、高精度的制造和裝配工藝

在EHF 頻段，波長(zhǎng)很短，相同電長(zhǎng)度的電路元件實(shí)際尺寸會(huì)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(méi)有封裝的管芯，這就對(duì)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. 01 mm。

由于同樣的原因，在該頻段設(shè)備裝配過(guò)程中要求更加嚴(yán)格。裝配過(guò)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(wèn)題。通過(guò)對(duì)制造和裝配工藝的試驗(yàn)摸索，很好地解決了毫米波頻段高精度制造和裝配工藝問(wèn)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(gè)環(huán)節(jié)。為了滿足設(shè)備指標(biāo)要求，主要采取了如下的技術(shù)措施：用新型 諧波混頻器，降低本振的工作頻率，減小了本振的實(shí)現(xiàn)難度; ②采用微帶探針形式波導(dǎo)- 微帶過(guò)渡，通過(guò)波導(dǎo)H 面的孔插入波導(dǎo)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(yīng)小于2 dB ，保證了整機(jī)的幅頻特性指標(biāo); ④增加了新型結(jié)構(gòu)的均衡補(bǔ)償電路，補(bǔ)償EHF 頻段的分布參數(shù)影響，整機(jī)2 GHz 帶寬內(nèi)幅頻特性小于3. 5 dB ，滿足了系統(tǒng)指標(biāo)需要。

3. 4、波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)

在設(shè)備研制過(guò)程中，需要研制EHF 頻段的濾波器對(duì)本振信號(hào)抑制60 dB 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(dǎo)濾波器具有Q 值高，損耗小的特點(diǎn)，波導(dǎo)濾波器能夠滿足指標(biāo)要求。根據(jù)指標(biāo)要求，研制了波導(dǎo)濾波器，其帶內(nèi)損耗小于2 dB ，帶內(nèi)幅頻特性0. 5 dB/ 2 GHz ，對(duì)本振頻率的抑制達(dá)到64dB以上。經(jīng)整機(jī)測(cè)試，對(duì)雜散信號(hào)的抑制滿足設(shè)計(jì)要求。

4、測(cè)試結(jié)果

設(shè)備調(diào)試完成后，進(jìn)行了指標(biāo)測(cè)試。圖4所示的測(cè)試曲線為設(shè)備幅頻特性補(bǔ)償前后的曲線，從圖中可以看出補(bǔ)償前幅頻特性為8dB左右，補(bǔ)償后為3.5dB ，增益也滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)備的雜散輸出最大為-55dBc ，1 dB輸出功率大于+16dBm。

5、結(jié)束語(yǔ)

隨著系統(tǒng)頻率的不斷提升，微波射頻設(shè)備的工作頻率越來(lái)越高，給設(shè)備研制帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。采用3次變頻方案，實(shí)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 ，2 GHz帶寬內(nèi)幅頻特性小于3.5 dB ，指標(biāo)測(cè)試滿足設(shè)計(jì)要求，關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平。設(shè)備研制過(guò)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。