一种小型化EHF频段上变频器的设计

欧雨

（广州海格通信集团股份有限公司，广州　510663）

一种小型化EHF频段上变频器的设计

欧雨

（广州海格通信集团股份有限公司，广州510663）

0　引言

通过长期不懈的努力，目前我军的卫星通信地面站已经覆盖了UHF、C、Ku、Ka等频段，并实现了部分装备的国产化。EHF卫星通信作为我国新开发的军事卫星通信频谱资源，具有通信容量大、抗干扰能力和抗截获能力强、生存力高等优点。

国外EHF频段卫星通信的研制起步较早。1994年美国便发射了第一颗军事中继星（Milstar）。Milstar系统应用于对战略和战术部队进行指挥控制，并对来自间谍卫星及其他信息源的情报进行中继，以便在所有级别的冲突中（包括全面大战）提供一个全球性、高生存力、抗干扰、保密的极高频卫星通信系统。目前美国的Milstar已经发展到第三代。除美国之外，英国和北约组织也拥有带EHF转发器的卫星。

由于EHF频段主要应用于军事卫星通信，有关其地球站射频设备的详细公开的报导很少。可以确认的是射频设备的工作原理、组成方案以及关键指标和其他频段地球站射频设备并无实质性差异。

我国卫星通信地球站射频设备技术的研究起步较晚，自主研发Ku以上频段射频收发信机则更晚。2009年广州海格通信集团股份有限公司成功研制了Ku和Ka频段射频收发信机，如图1左图所示。同年开发出Ka频段大功率发射机，如图1右图所示。这些设备将在我国第二代军事通信卫星地球站中获得广泛的应用。

图1　Ka频段收发信机（左图）、发射机（右图）

EHF频段上变频器是EHF频段发射机的重要组成部分，其主要功能是将外加中频信号与频率合成器产生的本振信号进行上变频至EHF频段射频信号，并进行滤波和驱动放大输出。输出信号送至功放模块进行功率放大后馈入天线发射。

1　上变频器的设计目标与实现方案

1.1设计目标

本设计的目标是实现一种通用的EHF频段上变频模块，可配合不同发射功率的功放模块实现用户可定制发射功率的发射机。根据发射机整机指标分配，该上变频模块的的电器指标为：

中频输入频率：2.6GHz～4.6GHz；

射频输出频率：41GHz～43GHz；

频谱特性：不倒置；

杂散输出：≤-63dBc（带外）；

输出功率：≥10dBm

变频增益：≥-5dB

输出结构：BJ400波导

1.2实现方案

（1）总体方案

本设计总体电路设计如图2所示。

其增益和1dB压缩点的链路计算如表1所示。

其中波导微带转换、波导滤波器与上变频器腔体一体化设计，而微带线，微波集成电路用导电银浆直接粘接在上变频器腔体上，再用金丝键合工艺相互连接。从而实现上变频器的一体化，小型化设计。

（2）混频器设计选型

本设备采取一次变频方案。对于上变频混频，我们可以通过加法或减法两种方法实从中频信号到射频信号现频谱搬移：

加法：fIF+fLO=fRF，此时的频谱特性是不倒置的，即输入频率越高，输出频率越高。

减法：fLO-fIF=fRF，此时的频谱特性是倒置的，即输入频率越高，输出频率越高。

根据设计要求，频谱特性是为不倒置，故采用加法，fLO=fRF-fIF=41GHz-2.6GHz=38.4GHz。

该本振频率较高，从而造成产生本振信号的频率合成器实现起来较为复杂。为降低频率合成器设计难度，决定选用分谐波混频器，经过器件选型，最后决定选用Hittite公司生产的HMC1093四次谐波分谐波混频器，该设计只需输入理论本振频率的1/4频率，即9.6GHz。

根据器件资料，HMC1093在工作频段的变频损耗最大为13dB，1dB压缩点输入功率为18dBm，1dB压缩点输出功率≥4dBm。另外，该芯片推荐本振信号输入功率为-1dBm±4dB。

（3）驱动放大器选型

由于方案选用了插损较小波导滤波器，若选用合适的驱动放大器，只需要选用指标合适的驱动放大器，就可以只用一个驱动放大器即可实现指标要求。从而降低了了设计复杂度和成本。

由于EHF频段射频芯片面临对华限运、货期不稳定等问题，在满足指标要求前提下，综合货期、成本、进货渠道等因素，选用Triquint公司生产的TGA4521，根据器件资料，TGA4521在工作频段的增益为16dB，1dB压缩点输出功率≥23dBm。

（4）匹配衰减器

根据器件资料，HMC1093在工作频段内输出回波损耗最大为-6dB，而TGA4521在工作频段内输入回波损耗最大为-3dB，由于回波损耗均较大，两者之间直接匹配将存在阻抗失配的问题，为改善两者之间的匹配，需要在之间加入一个匹配衰减器。比较各种该频段衰减器指标，选定Hittite公司生产的HMC653，该芯片为3dB衰减器，输入、输出回波损耗为-22.1dB。

图2　EHF频段上变频器电路图

表1　链路计算表

（5）波导滤波器设计

根据各器件资料，该设计的主要杂散为HMC1093产生的4LO杂散信号，频率为 38.4GHz。根据HMC1093器件资料，4LO杂散到射频输出端隔离度为15dB，按推荐本振信号输入功率为-1dBm，此时4LO杂散信号在在射频输出端的输出功率为-1dBm-15dB=-16dBm，在HMC1093以1dB压缩点输出功率4dBm发射时，杂散抑制为-16dBm-4dBm=-20dBc。故如需要满足上变频器杂散≤-60dBc的指标，需杂散对38.4GHz的信号抑制至少-60dBc-（-20dBc）=-40dB。考虑必要的设计余量，对滤波器提出的指标要求是：

通带：40.9GHz～43.1GHz

通带插损：≥-1dBm

抑制：≤-45dB@38.4GHz。

波导滤波器是利用波导传输线和波导阻抗变换结构构成的调谐结构组成的滤波器，波导滤波器具有插损低、抑制高、温度特性好、加工难度低、成本低等优点，在毫米波频段，波导滤波器结构也较小。

最常见的波导滤波器实现形式是采用串联耦合谐振器带通滤波器结构（图3所示），以半波长波导段做为串联谐振器，以单边插入膜片、双边插入膜片或打入销钉等形式在波导内加入不连续性（图4所示），实现并联电抗结构作为谐振器间的耦合结构，从而实现滤波器器结构。

图3　串联耦合谐振器带通滤波器

图4　波导膜片不连续性及其等效电路

波导滤波器仿真软件通常用到高频电磁仿真软件如HFSS等，HFSS的原理是采用有限元法对波导结构进行3D电磁计算，该算法结果较为准确，但计算量较大，如对模型进行优化，程序运行时间较长。

μWave Wizard是一款伪3D仿真设计软件，其原理是通过理论计算各波导结构的S参数数据，然后按照电路计算的方法来得到整个电路的S参数，但该软件准确度较HFSS差。可引入该软件进行辅助设计，在用HFSS对设计进行修正。

具体采用的设计步骤是：

（1）使用μWave Wizard的滤波器设计工具，按设计要求填写滤波器参数，并选则适当的膜片类型，程序会自动计算满足要求的滤波器设计。

（2）按照该结果在HFSS上进行建模和仿真，得到的滤波器通带中心频率一般与期望结果有所差异。

（3）根据差异调整μWave Wizard滤波器设计工具中的频率参数，重复步骤（1）、（2）直至HFSS仿真得到期望的滤波器响应曲线。

图5为生成最终设计结果μWave Wizard滤波器设计工具参数设置，图6为μWave Wizard对最终设计波导滤波器计算的滤波器响应曲线。

图5　滤波器设计工具参数设置

图6　μWave Wizard计算结果

图7为按μWave Wizard设计的波导滤波器在HFSS上3D建模模型，图8为HFSS对该滤波器模型仿真结果。

图7　波导滤波器HFSS模型

图8　HFSS对波导滤波器仿真结果

对比图6和图8结果可见，更接近实际的HFSS仿真结果与μWave Wizard理论计算结果相比，滤波器通带中心频率更高，但任然可以得到较为理想滤波器响应曲线，故用μWave Wizard指导波导滤波器设计可行。由于μWave Wizard滤波器设计工具运算速度较快，用以辅助波导滤波器设计可大大提高波导滤波器设计效率。

（6）波导微带转换设计

在毫米波频段，主要的传输线有波导和平面传输线（以微带线最为常用），如何实现低损耗的波导与微带线的转换对于毫米波设备性能非常重要。由于结构的限制，本设计采用了绝缘子作为探针的波导-同轴-微带结构进行转换。图9为对波导-同轴探针结构在HFSS上进行3D建模设计。其仿真结果如图10所示。

由仿真结果可见，该设计插损＜0.05dB，回波损耗＞25dB。

为尽量降低同轴部分的插损，该设计选用的是玻璃绝缘子。玻璃绝缘子使用钢化玻璃作为介质。与瓷介质绝缘子相比，玻璃绝缘子具有截止频率高，高频信号损耗小，机械强度高，电气性能稳定、寿命长等优点。图

11为焊装于结构件上的玻璃绝缘子。

图9　波导-同轴探针结构HFSS模型

图10　波导-同轴探针结构仿真结果

图11　玻璃绝缘子

2　结语

根据本方案设计的EHF频段上变频器，性能指标全面满足要求，可通用于不同输出功率的EHF频段发射机上。EHF频段上变频器是EHF频段发射机、EHF频段卫通通信地球站设备的重要组成部分，其研制成功对于为EHF频段军事卫星通信应用，和下一代卫星通信系统的研制奠定基础。

［1］陈邦媛.射频通信电路.北京：科学出版社，2002.

［2］Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.射频电路设计——理论与应用.王子宇，张肇仪，徐承和等译.北京：电子工业出版社，2002.

［3］胡丽格，贾世旺，牛旭.Ku频段上变频器的设计与实现［J］.无线电工程，2009，6：46-48.

［4］贾世旺.EHF频段卫星通信上行链路关键技术研究：工程硕士学位论文.成都：电子科技大学，2012.

［5］王晓会.Ku波段波导广义切比雪夫滤波器研制：硕士论文.成都：电子科技大学，2009.

［6］宋志东，张国强，崔敏.一种Ka波段宽带波导-微带转换器的研制.火控雷达技术，2014，04：42-44.

Satellite Communication；EHF-Band；Up-Converter；Spurious；Waveguide

Design of a Kind of Minitype EHF-Band Up-Converter

OU Yu
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663）

1007-1423（2015）22-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.22.017

欧雨（1983-），男，四川自贡人，硕士，助理工程师，研究方向为卫星通信、微波毫米波电路等

2015-07-07

2015-07-28

阐述一种EHF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EHF频段射频信号。采用波导滤波器、微带-波导转换与平面电路部分一体化设计方案，实现了该模块的小型化。该设计方法能够广泛应用于卫星通信地球站的上行链路。

卫星通信；EHF频段；上变频器；波导

Describes a achievement to design a kind of minitype EHF-band up-converter，which converts S-band IF signal to EHF-band RF signal by once frequency conversion.The waveguild filter is ingrated into the structure of the Up-converter as well as the waveguide-to-microstrip transition and planar circuit.The design method can be used in up-link of satellite communications.