Ka/X波段一体化上下变频组件的研究

杨舟 中电科仪器仪表有限公司

1 、锁相环技术的基本原理

文献详细分析和解释了具有相位同步的电路的操作原理，组件模块和具有相位同步的各种类型的电路，以及设计具有相位同步的电路的过程的示例和讨论,简要分析锁相环技术。PLL可以被认为是作用于压控振荡器的控制系统，因此2u信号的频率与1u信号的频率一致，并且2u信号的相位几乎等于1u信号的相位或者与最后的偏差恒定。因此，PLL可以被认为是相位信号控制系统。在该系统中，压控振荡器的输出信号的相位被锁定到参考信号的相位;控制系统通常被称为相位自动频率控制。

2 、混频器的基本原理

首先，混合器的主要技术特征通常用于使用混合器的过程中。技术指标：转换损耗，端口回波损耗，噪声系数，带宽等。这些特性会因应用而异，其次，微波放大器的主要技术特性有很多性能指标，这些性能指标直接影响放大器性能。在众多性能指标中，最重要的参数是：工作频率，增益平坦度和噪声系数。

3 、Ka/X波段一体化上下变频组件的方案设计

3.1 上变频单元设计方案

鉴于混频器转换损耗和滤波器插入损耗，假设IF的输入信号功率仅约为-50dBm，则系统所需的信道增益仅为30dB，整个信道的增益要求约为43dB。可以看到，即使将通道增益分配给IF线，混频器也不会饱和。因此，该电路使用级联三级IF放大器在IF线上分配信道增益。相同的放大器用于3级IF放大器。这种设计简化了电路结构并降低了系统成本。系统规范要求频率转换通道的功率电平小于3dB，这意味着整个电路必须匹配良好，减少路径中的反射信号并降低端口的VSWR。此外，在选择器件时，必须注意尽可能高的增益或衰减平面。由于混频器的非线性效应，混频器的输出RF端口将不可避免地具有更多分支，例如本地振荡器的泄漏，以及由本地振荡器和IF信号产生的不同级别的寄生信号。因此，有必要在混合输出端口上增加一个带通滤波器，以滤除杂散信号，以满足逆变器单元对杂散信号抑制的要求。具体设计方案如图1所示。

图1 上变频的设计图

3.2 混频器

作为逆变器系统的关键部件，混频器的选择是最重要的设计。该设计使用平面混合集成电路，因此所选择的混合设备必须是用于表面安装的壳体中的混合器。其次，该设计要求在整个工作频带内带内功率均匀性不超过3dB。因此，在选择混频器时，除了考虑互调指示器（例如1dB压缩点和三阶交叉点）之外，还应考虑混频。港口转换损失和回程损失的指标。基于上述要求，该设计采用HittiteMicrowave开发的无源双平衡混频器MMICHMC560LM3。该芯片采用GaAs技术制造，可用于具有上下转换的系统。微电路具有宽频带，工作频率为24～40GHz，中频工作频率范围为～17GHz。由于集成了平衡芯片，该混频器具有高隔离度，35dB的LO-RF绝缘，30dB的LO-IF绝缘和20dB的RF-IF绝缘。从微电路的特性表中可以看出，微电路转换期间的损耗是10dB，并且在34-35.2GHz的工作频带中转换损耗的平坦度小于1dB。输入1dB处的芯片压缩点为13dBm，三阶互调截止点为18dBm，可满足应用要求。

3.3 电源单元设计

由于用户对整个系统所需的输入电压为+12V，因此与先前的蜂窝模块设计相比，器件所需的工作电压可被视为+12V，+5V和+3.3V，并且还因为放大器必须提供栅极，负电压是偏置的，因此还需要-5V的工作电压。因此，设计必须设计合适的电源系统，以提供每个单元正常运行所需的能量。

4 、实现和测试变频组件

4.1 变频组件版图

根据设计研究，元件的两侧分别连接，以达到减小体积的目的。元件的正面作为锁相源元件，分为本振和电源，背面可以延伸。部分地，滤波单元分为两个高频转换单元和低频转换单元。最后，这种设计的小型化通过双向组件的设计和布置简化了电源的设计，并且布线更加方便和集成，如图2所示。

图2 变频组件正面版图

4.2 相关组件设计

与以前的结构部件相比，体积减小，结构更紧凑。该组件使用一次成型的毫米微波芯片，结合回流焊接工艺，并将基板焊接到Duroid5880和8043SOB芯片上。该焊接技术具有稳定可靠的优点，并减少了电路的异常。类似地，缺点是基板和空腔之间的粘附相对紧密，并且当过度散热速度导致异常情况时，更换芯片是麻烦且难以操作的。应该注意的是，为了减少辐射造成的损坏并减少组装部件时通道中的突刺，必须在相关部件上加入锡箔。