一种双频段跟踪接收机下变频模块的设计与实现
2019-01-16刘伯文刘立浩
刘伯文，刘立浩
(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)
0 引言
地球站伺服跟踪设备的基本作用是保证地球站的天线能够稳定、可靠地对准通信卫星，从而使通信系统能保持正常的工作[1]。地球站天线跟踪卫星的方法有手动跟踪、程序跟踪和自动跟踪3种[2]，其中自动跟踪可分为3种体制：步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪[1]。跟踪接收机作为伺服跟踪系统中的核心部件，起着至关重要的作用。
跟踪接收机由下变频模块和解调终端组成[3]，下变频模块接收来自卫星的下行信标信号，把信标信号变成中频信号，并进行放大[4]。文献[5]介绍了一种用于信标接收机的下变频模块，但只支持单Ku频段(12.25～12.75 GHz)。提出的下变频模块将Ku频段信号(11.45～11.7 GHz，12.25～12.75 GHz)和Ka频段信号(19.6～21.2 GHz)变频为355 MHz中频信号，并进行放大和滤波。下变频模块的性能指标，如相位噪声和无关杂散[6]等，对跟踪接收机的跟踪性能起着决定性的作用。
1 下变频模块设计
1.1 中频选择
射频下变频设计通常采用超外差体制，优点是可以通过在较低中频上靠中频滤波器选择有用信道并抑制相邻信道干扰。当下变频输入频率为毫米波频段时，通过2次变频处理既可实现接收信道的灵活配置，又可获得较好的镜频抑制比[7]。
双频段跟踪接收机下变频模块采用二次变频方案，Ku1(11.45～11.7 GHz)和Ku2(12.25 ～12.75 GHz)链路对应的本振均为低本振，Ka链路对应的本振均为高本振，最终输出无频谱倒置。而作为混频器中的核心器件，混频器不是一个理想乘法器，而是一个能完成相乘功能的非线性器件。变频过程中除产生有效信号外，还将产生许多交调产物，如组合频率、本振谐波、镜频干扰和邻道干扰等。为防止这些频率成分形成干扰，最优的方法是保证组合频率产物不落入中频范围内。
根据混频理论可知，混频产生的组合频率成分fmn为：
fmn=mfL±n(fRFO±B/2)，
(1)
式中，fL为本振频率；fRFO为射频信号中心频率；B为变频器接收带宽；m为本振谐波次数，m=±1，±2，±3...；n为射频信号谐波次数，n=±1，±2，±3...；而fL根据高低本振的不同可以表示为：
fL=fRFO-(fIFO±BIF/2)(低本振)，
(2)
fL=fRFO+(fIFO±BIF/2)(高本振)，
(3)
式中，fIFO为中频滤波器中心频率；BIF为中频滤波器带宽。
综合式(1)、式(2)和式(3)，可得混频产物落入中频带内的条件为：
m[fRFO-(fIFO±BIF/2)]±n(fRFO±B/2)∈
[fIFO-BIF/2，fIFO+BIF/2](低本振)，
(4)
m[fRFO+(fIFO±BIF/2)]±n(fRFO±B/2)∈
[fIFO-BIF/2，fIFO+BIF/2](高本振)。
(5)
这样，当射频信号频率和带宽确定的情况下，选择合适的中频频率fIFO和中频带宽BIF，可使得中频带宽内无组合杂散或组合杂散很低。
1.2 杂散分析
假如变频器中有n个混频器，分别为M1，M2，...，Mn，对应的本振分别为LO1，LO2，...，LOn，输入信号RF，混频产物IF可表示为：
IFm0m1...=m0×RF+m1×LO1+...+mn×LOn。
(6)
通常，有用的混频产物可以表示为：
IF±1±1...±1=±1×RF±1×LO1+...±1×LOn。
(7)
除有用信号外，其他混频产物均可视为杂散。在式(6)中，当RF的系数不为0时，除有用信号外的杂散为相关杂散；RF系数为0时的杂散为无关杂散，即无关杂散是由本振间相互混频产生的[8]。
对应于相关杂散，当混频器输入信号电平控制得足够低时，阶数为4次及以上的杂散即使落入带内也是可以接受的；对于来自于本振的相关杂散，需要根据杂散的产生机理(鉴相杂散、小数分频杂散等)来加以消除。
对于无关杂散，一方面经常需要结合系统进行统筹考虑；另一方面和变频器的应用背景有关。本文中设计的模块用于跟踪系统，无关杂散易导致接收机错锁，所以对无关杂散指标要求极其严格。
2 下变频模块实现
2.1 下变频方案
跟踪接收机整机结构紧凑，给下变频模块预留的空间有限，对模块的体积和功耗提出严峻的考验。在充分考虑了背景平台的基础上，此变频模块采用二次变频方案，方案如图1所示。Ku和Ka两条链路对应的本振共用，其中Ku1和Ku2两个频段对应的链路为低本振，Ka频段对应的链路为高本振，Ka链路第一次混频选用谐波混频器。在充分考虑镜像指标和组合杂散指标下，确定一中频频率范围为2.764～2.788 GHz，一本振频率范围为8.67～11.99 GHz，二本振频率范围为2.425～3.135 GHz。Ku1，Ku2，Ka三种频段对应的一、二本振频率和一、二中频频率如表1所示。
图1 双频段跟踪接收机下变频模块原理
表1 频率配置表
输入频段一本振频率/GHz一中频频率/GHz二本振频率/GHz二中频频率/GHzKu19.07～9.573.18～3.1882.825～2.8350.355～0.355 1Ku28.27～8.523.18～3.1882.825～2.8350.355～0.355 1Ka10.79～11.593.164～3.183.515～3.5350.354 9～0.355
下变频模块的无关杂散取决于2个本振频率的组合，组合阶数如表2所示。从表2可以看出，一本振和二本振在355 MHz±2 MHz内最低组合为9次：2LO1～7LO2，这样也就保证了最终输出无关杂散指标。
表2 无关杂散阶数表
输入频段一本振频率/GHz二本振频率/GHz一本振阶数二本振阶数Ku19.07～9.572.825～2.8352-7Ku28.27～8.522.825～2.835-310Ka10.79～11.593.515～3.5352-7
2.2 本振频率合成方案
频率合成技术是将1个(或多个)基准频率信号变换为另1个(或多个)所需频率信号的技术。频率合成分3类：直接频率合成(DS)、间接频率合成(PLL)和直接数字频率合成(DDS)。由于3种频率合成方式均有各自的优缺点，目前的发展趋势是将DS、PLL、DDS、混频器和倍频等技术合理组合使用[9]。文献[9]设计了一种“PLL+DDS+混频”的频率合成器，具备低相噪、小步进和快速跳频的性能；文献[10]设计了一种基于“偏移源+脉冲锁相”的频率合成器，具备低相噪和低杂散的优势；文献[11]设计了一种基于“频率预置+谐波混频”的频率合成器，具备宽带低相噪的特性。
一本振输出频率范围为8.27～11.59 GHz，频率步进为8 MHz，其中Ka链路对应的本振频率在谐波混频时要2倍频，倍频后频率范围为16.54～23.18 GHz。一本振频率合成方案如图2所示，其采用单环+小数分频模式，这样不仅保证了相位噪声指标，且避免了采用多环方案给模块体积带来的压力。
二本振输出频率范围为2.825～3.535 GHz，频率步进为100 kHz。二本振频率合成方案如图3所示，其同样采用单环+小数分频模式，与一本振频率合成方案区别在于反馈支路上没有分频器。
运用Hittite公司仿真软件PLL Analysis & Design Tool对一、二本振频率(最高端)相位噪声指标进行仿真，仿真曲线如图4和图5所示。
图2 一本振方案
图3 二本振方案
图4 一本振相位噪声仿真曲线
图5 二本振相位噪声仿真曲线
2.3 薄膜电路
模块的输入频率为Ku频段和Ka频段，工作于这些频段上的芯片需采用裸管芯形式，而为了与裸芯片进行良好的装配，薄膜电路在此模块中得到了大量应用，且运用微组装工艺对模块进行组装。
薄膜基板制造是非常复杂的电子工艺加工过程，包含多个工序，涉及数十台设备[12-15]，制作流程主要包括基板清洗、溅射、光刻、电镀、去胶和刻蚀等工序[16-17]。为了保证电路的微波性能，必须严格控制加工过程中的误差，当产品制造误差达到一定程度，电路性能可能会恶化，尤其是微波和毫米波等较高频段。该模块中用到的薄膜电路包括传输线陶瓷板和薄膜滤波器等，其中薄膜滤波器采用平行耦合线结构[18-20]。微组装装配图如图6所示。
图6 微组装装配图
2.4 测试结果
模块实物图如图7所示，在常温(+25oC)、低温(-40oC)和高温(+70oC)下，用SK3325直流电源、Agilent N8975A噪声系数分析仪、Agilent E8257D信号源和Agilent N9030A频谱仪对模块进行了全面测试。从实测结果看，该模块支持Ku频段(11.45～11.7 GHz，12.25～12.75 GHz)和Ka频段(19.6～21.2 GHz)内的所有信标频率，输出无关杂散低于-100 dBm，相位噪声低于-75 dBc/Hz@100 Hz，-85 dBc/Hz@1 kHz，-85 dBc/Hz@10 kHz，带宽和相位噪声指标与文献[5]相比有明显改善。
图7 下变频模块实物
3 结束语
本文提出了一种双频段跟踪接收机下变频模块的设计方案，模块的实测结果进一步验证了设计的可行性。该模块涵盖了国内大部分Ku频段和Ka频段卫星的信标频率，且已在多种平台中得到广泛应用，性能稳定可靠，有广泛的应用前景。但该模块二次混频镜像抑制指标只有-50 dBc，后续需要在中频滤波器接地和分腔隔离上做一些处理。
