Ka频段上变频器的设计与实现

王启，陈小忠（广州海格通信集团股份有限公司，广州 510663）

Ka频段上变频器的设计与实现

王启，陈小忠
（广州海格通信集团股份有限公司，广州 510663）

0　引言

近年来，卫星通信应用Ka波段的情况越来越多，表现出了通信卫星新的发展趋势。著名的国际太空咨询机构Euroconsult在其最近的《卫星通信与广播市场观察》（第16版）中指出：“2018年，Ka波段需求将占卫星容量总需求的18%，主要采用Ku和C波段的军事卫星通信也将被推向Ka波段。”在通信卫星中采用Ka波段，可以获得较宽的工作频带，增加通信容量，同时还可以实现较窄的波束，从而获得高的EIRP值，减小地面终端天线尺寸。而且，相对于已经十分拥挤的C、Ku波段，Ka波段的干扰较小，便于卫星的轨道位置和频率关系的协调。而元器件以及工艺水平的提高，也对Ka波段的发展起到了一定的加速作用。因此，Ka频段上变频器的研究与实现对于国内Ka频段卫星通信具有重要意义。

1　上变频器的设计目标与实现方案

1.1设计目标

Ka频段上变频器实现中频到Ka频段射频的频谱搬移，卫星通信要求Ka频段上变频器的性能如下：

输入频率：1.5GHz～3.5GHz

输出频率：28.5GHz～30.5GHz

频谱特性：不倒置；

杂散输出：≤-53ddBc（带内）

≤-63dBc（带外）

相位噪声：≤-64dBc/Hz（100Hz）

≤-74dBc/Hz（1kHz）

≤-84dBc/Hz（10kHz）

≤-94dBc/Hz（100kHz）

1.2实现方案

为实现上述设计目标，本设备采取一次变频方案，原理框图如图1所示。

中频及混频电路实现中频电路的放大、滤波以及中频与本振的混频，中频电路包括两级温补衰减电路、两级中频放大电路和一级中频滤波电路。其中，温补衰减器用于改善由于温度变化引起的发射通道总增益的波动，中频放大（IFA）电路采用两级放大，每一级放大电路的增益约为11dB；中频滤波电路为一微带低通滤波器（LPF），主要是为了滤除中频信号的谐波分量，保证混频前中频信号的纯度。

本振电路采用整数分频锁相环技术，通过低相噪频率合成器技术使得设备的相位噪声满足设计目标。

射频电路包括射频放大、射频滤波以及微带/波导过度电路，其中，射频放大电路包括两级驱动放大和一级功率放大，射频滤波由三级带通滤波器构成，一方面保证杂散指标，另一方面进行收阻滤波，保证发射机的接收频段的噪声不对接收机造成影响；微带/波导过渡电路实现电磁波从介质向波导的过渡。

图1　Ka频段上变频器原理框图

图2　本振电路原理框图

2　关键电路的设计

2.1本振电路

（1）本振频率的选择

对于本上变频器，输入频率为中频，输出频率为Ka频段射频，我们可以通过加法或减法两种方法实现S中频到Ka的频谱搬移。

①加法

即这种情况的本振频率为27GHz。此时的频谱是不倒置的，输入1.5GHz时输出28.5GHz，输入3.5GHz时输出30.5GHz。

②减法

此时分别取fRF和fIF的中心频点进行运算，即：

即这种情况的本振频率为32GHz。

以上两种方法均能实现频谱搬移，但是方法②的频谱特性是倒置的（输入1.5GHz的时候输出30.5GHz，输入3.5GHz的时候输出28.5GHz），不满足设计要求，因此我们选择方法①。

（2）本振频率的实现

通过上面的运算可知，该上变频器的本振频率为27GHz。通常这么高的频率往往无法直接通过锁相环（PLL）来实现，通常通过锁相环实现较低的频率，再利用器件的非线性倍频特性来实现较高的本振频率。由于目前的VCO频率普遍低于10GHz，故在锁相环部分产生6.75GHz的信号，然后再利用放大器的非线性将其4倍频至27GHz。本振电路的原理框图如图2所示。

由于本振输出为点频，故采用整数分频方案以提高输出信号的相位噪声（保持相同的鉴相频率）。对于带内的相位噪声，其噪声的来源主要是鉴相器、参考时钟以及环路滤波器（在微波频段，环路滤波器的影响不容忽视）。对于带外的相位噪声，噪声来源主要是VCO。对于过渡带，鉴相器、参考时钟、环路滤波器和VCO均是噪声源头。

由锁相环的原理，我们可以通过公式（1）推导出鉴相芯片引入的带内平坦噪声，通过公式（2）推导出鉴相芯片引入的带内1/f噪声（闪烁噪声），通过公式（3）推导由参考时钟引入的相位噪声。最终任一频率偏移处的相位噪声表现为三者的叠加。

鉴相芯片的基底噪声为-223dBc/Hz，鉴相频率取50MHz，N为135，通过公式（1）计算出带内平坦相位噪声为-103.4dBc/Hz。

鉴相芯片的1/f噪声为-122dBc/Hz（1GHz，偏离10kHz），通过公式（2）计算1kHz偏移处的相位噪声为-103.7dBc/Hz。

参考时钟的相位噪声为-152dBc/Hz（1kHz），通过公式（3）计算参考时钟引入的相位噪声-95.4dBc/Hz。

将以上三方面的相位噪声进行叠加可得综合的相位噪声-94.2dBc/Hz。

由于锁相环输出的频率还要通过4倍频得到本振频率27GHz，其相位噪声的恶化按照公式（4）进行计算，可得到27GHz偏离1KHz的相位噪声为-82.2dBc/ Hz。考虑到环路滤波器还会引入一部分相噪，而且倍频器件也会引入一定的噪声，最终的相位噪声还会有所下降，但能够满足指标要求。

用同样的方法可以分别计算偏离100Hz处的相位噪声。

根据锁相环原理，环路对于鉴相芯片、参考时钟、环路滤波器等呈现低通特性，而对VCO呈现高通特性，因此环路带宽以外的相位噪声主要取决于VCO自身的相位噪声。

VCO在10KHz和100kHz处的相位噪声分别为-101dBc/Hz和-119dBc/Hz，按照公式（4），其倍频后的相噪分别为-89dBc/Hz和-107dBc/Hz。

图3　设计方案框图

显然，为了使得各个频率偏移点的相位噪声均满足要求，环路带宽最好设置在1kHz与10kHz之间，使得100Hz和1kHz位于带内，而10kHz和100kHz位于带外。经过实际实验，环路带宽设置为5kHz，相位裕度为50°时，锁相环能够达到较好的性能。

关于锁相环的杂散，由于是整数分频，故主要杂散为鉴相杂散，即偏离载波50MHz的整数倍处的杂散，对于这类杂散，环路滤波器可以较好的滤除。

另有一种杂散需要引起重视——VCO引起的杂散。对于该方案，VCO的输出频率为6.75GHz，实际往往是VCO通过内部倍频得到的，即VCO的基频为3.375GHz。这样，锁相环输出的频率除了6.75GHz，还有3.375GHz的整数倍频率，尤其以3.375GHz自身的影响最大。如果该信号不加以处理，最终会在本振频率偏移3.375GHz处出现杂散。对于这种杂散，解决方法是在VCO的输出处加上一个LTCC的高通滤波器。

2.2中频电路

（1）中频电路方案

中频及混频电路实现中频电路的放大、滤波以及中频与本振的混频，同时该电路还要尽可能避免产生或削弱杂散信号。

中频电路包括两级温补衰减电路、两级中频放大电路、一级中频滤波电路和三级幅度均衡电路。其中，温补衰减器用于改善由于温度变化引起的发射通道总增益的波动；中频放大（IFA）电路采用两级放大；中频滤波电路为一微带低通滤波器（LPF），主要是为了滤除中频信号的谐波分量，保证混频前中频信号的纯度。幅度均衡电路用以优化整个上变频器的幅频特性，中频及混频电路原理框图如图3所示。

（2）幅度均衡网络

射频设备作为卫星通信中的重要传输设备，除了完成信号的频率变化、功率放大等功能外，还应保证信号的无畸变传输。在射频设备中拥有大量的混频器、滤波器、放大器等元器件，这些元器件对信号的幅度、相位进行处理选择，对信号引起了不同程度上的畸变。

要想实现信号的无畸变传输，实际的系统很难满足以上要求，相位/频率发生畸变时，需要采用全通网络进行补偿，幅度/频率畸变需要采用幅度均衡网络进行补偿。本文对幅度/频率的畸变进行研究，幅度均衡的原理就是利用谐振网络产生补偿曲线。

如果使已经发生幅度畸变的信号经过某一特殊网络，而该特殊网络的幅度/频率特性与传输网络的幅度/频率特性相反，这样就可以对传输网络的畸变进行有效的补偿，使得信号在工作频段内实现无畸变传输（或减小信号畸变程度），该特殊网络就被称为均衡网络。

传输网络的幅度/频率特性可以系统增益波动来表示。系统增益在工作带内不是固定常数，增益随着工作频率的变化而发生改变。一般呈现的高端、低端频率两端增益较低，中心频点附近频率增益较高的特性，如图4所示。

图4　常见增益特性

在输入相同功率的宽带信号时，若系统增益呈现以上趋势，则会造成工作频段内各点的输出功率不一致，严重时使得某段频率范围内出现过饱和的状态，出现信号失真，影响系统的正常运行。为了解决以上问题，需要增加幅度均衡电路，用来补偿以上曲线特性。均衡网络的工作原理是在传输网络中串联增加与原传输网络幅度/频率特性相反的均衡网络，两者的特性之和满足一个常数的条件，校正了信号的幅度畸变。

这就要求幅度均衡电路具有如下的变化趋势，见图5所示。

图5　补偿曲线

幅度均衡电路与原系统串联使用，最终达到图6所示效果。图中所示的是理想效果，在实际系统中不可能完全补偿以上曲线，只能部分补偿曲线特性，最终使得补偿后的曲线能够满足系统要求。

图6　补偿后的增益曲线

应用最简单的L、C、R元器件组成的谐振电路即可实现图4所示的均衡效果，具体电路及特性曲线见图7和图8。图7中电感及电容的共同作用确定电路的谐振频率，电阻的大小可用来调节谐振的幅度。适当选择元件大小，可以实现对图4常见系统增益特性曲线的补偿。

图7　R、L、C元件组成的均衡电路

图8　均衡电路仿真结果

2.3微带滤波器

对于Ka频段上变频器这样一个微波单元，微带滤波器是一类不容忽视的无源器件，其能够实现中频滤波、本振滤波和射频滤波器，可以说贯穿于整个上变频器，因此微带滤波器的设计与实现对于上变频器性能的保证起着至关重要的作用。

常用的微带滤波器主要有：平行耦合滤波器、发夹型滤波器和交指滤波器三种。

图9　平行耦合滤波器典型结构

图10　发夹滤波器典型结构

平行耦合滤波器通过调节线宽和间距就能得到较大的耦合系数，设计简单。发夹型滤波器，常用于滤波器小型化。交指滤波器结构更加紧凑。三种滤波器的对比见表1。

图11　交指滤波器典型结构

表1　三种常用微带滤波器的特点

对于Ka射频滤波器，若采用发夹型滤波器，通过仿真得出耦合线最小间距约为0.1mm，这对加工提出了很高的要求，因此选择平行耦合滤波器。

利用ADS进行原理仿真，并进行自动优化，得到滤波器的参数，如图12所示。

图12　Ka频段平行耦合滤波器原理图

在HFSS中进行模型仿真，经过反复调试，仿真模型如图13所示，仿真结果如图14所示。

图13　Ka频段滤波器HFSS模型

图14　Ka频段滤波器HFSS仿真结果

对于中频信号的滤波及锁相环的输出滤波，由于频率相对较低，采用平行耦合滤波器将会占用较大面积，故采用交指滤波器或发夹型滤波器，其设计方法同上述的平行耦合滤波器类似。

3　结语

根据本方案设计的Ka频段上变频器，性能指标全面满足要求，经过各项试验验证，满足卫星通信地球站上行链路的需求。Ka频段上变频器的研制成功对于取代国外同类产品、实现关键设备的国产化具有重要意义。

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Satellite Communication；Ka-Band；Up-Converter；Spurious；Phase Noise；Amplitude-Frequency Characteristics

Design and Implementation of Ka-Band Up-Converer

WANG Qi，CHEN Xiao-zhong
（Guangzhou Haige Communications Group Limited by Share Ltd.，Guangzhou 510663）

1007-1423（2015）23-0071-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.23.018

2015-06-25

2015-08-10

阐述了一种Ka频段卫星通信上变频器的实现方案，采用一次变频方案将中频信号上变频至Ka频段射频信号，在实现一定增益的同时能够保证设备的杂散、相位噪声以及幅频特性等指标。该设计方法与调试技巧能够广泛应用于卫星通信地球站的上行链路。

卫星通信；Ka频段；上变频器；杂散；相位噪声；幅频特性

王启，男，硕士，研究方向为卫星通信，射频技术等

陈小忠，男，本科，研究方向为卫星通信，射频技术等

Describes an achievement to design a kind of Ka-band up-converter，which converts S-band IF signal to Ka-band RF signal by once frequency conversion.The some gain can be achieved as well as the output spurious，phase noise and amplitude-frequency characteristics.The design and debug method can be used in up-link of satellite communications.