EHF频段混频器的设计与实现

朱淇锐 朱晟 甘启宇

摘  要：本文阐述了一种EHF频段频率范围为39GHz-41GHz混频器的实现方案，介绍了混频器的系统构成和功能，在實现一定增益的同时能够保证设备的杂散和幅频特性等指标。将混频器、微带滤波器、微带转波导、波导滤波器进行一体化设计和加工，利用HFSS进行仿真，并给出测试结果，验证了方案的可行性，实现了整个链路的结构稳定和小型化。该设计方案能够广泛应用于卫星通信。

关键词：卫星通信;EHF频段;混频器;滤波器;微带-波导转换

中图分类号：TN927.2;TN773.4      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）07-0064-03

Abstract：This article describes an achievement to design a kind of Mixer at EHF-band of 39GHz-41GHz. The system composition and function of mixer are introduced. The certain gain can be achieved as well as the output spurious and amplitude–frequency characteristics. The mixer，microstrip filter，microstrip-waveguide converter and waveguide filter are integrated designed and processed. High Frequency Structure Simulator （HFSS） software is used to simulate and present the tested results. The feasibility of the design is verified，and the structure stability and miniaturization are realized. The design method can be used in satellite communications widely.

Keywords：satellite communication;EHF-band;mixer;filter;microstrip-waveguide conversion

0  引  言

随着微波毫米波技术的不断发展，无线电频谱资源越来越紧张。卫星通信在C和Ku波段已显得十分拥挤，在Ka频段也已经发展成熟并得到了广泛的应用。低频段资源满足不了日益增长的业务需求，卫星通信不断向更高的频段发展，极高频EHF（Extremely High Frequency）成为目前卫星通信研究的热点频段。

EHF频段范围为30GHz～300GHz。美军在20世纪80年代实施了Milstar军事星系统，其终端上行频率为44GHz的EHF频段，下行频率为20GHz的超高频（Super High Frequency，SHF），为美军提供实时、灵活、抗干扰的全球通信服务。发展到第三代后先进极高频（Advanced Extremely High Frequency，AEHF）系统逐渐取代了Milster系统，其波束更小、功率更高，为美军提供高容量、高生存能力、抗干扰、全球范围的安全通信系统。

由此可见，EHF频段具有频率资源丰富、系统容量大、抗干扰能力强、系统尺寸小等优点，在军事领域上有着重要的意义，将成为下一代卫星通信发展方向之一。EHF频段混频器的主要功能是提供EHF频段射频信号，将广泛应用于EHF频段发射机。

1  系统组成和功能

EHF频段混频器由EHF频段混频器、EHF频段微带滤波器、EHF频段微带转波导、EHF频段波导滤波器4部分组成。输入中频信号与本振信号，经混频器一次变频后输出EHF射频信号，再通过EHF频段微带滤波器和波导滤波器滤除器件所产生的谐波后提供给后级纯净的EHF频段射频信号。其中中频信号与本振信号通过同轴连接器连接，微带滤波器与波导滤波器间通过微带转波导过渡，最终射频输出为矩形波导输出。设计框图如图1所示。

2  设计与实现

2.1  EHF频段混频器

混频是将信号从一个频率变换到另一个频率的过程，混频器输出信号频率通常是两输入信号频率的和值或者差值。由于一次变频结构简单、成本低、易于维护，本设计混频器采用一次变频方案，通过加法实现中频（IF）、本振（LO）到射频（RF）的频谱搬移：fIF+fLO=fRF，故fLO=fRF-fIF=39GHz-3GHz=36G。即混频器将频率范围为3GHz～5GHz的中频信号上变频至频率范围为39GHz～41GHz的射频信号，本振信号频率为36GHz。由于本振信号频率较高，本设计采用分谐波混频的方案，可降低本振频率设计的复杂度。本设计中选用ADI公司生产的分谐波混频器芯片HMC1093，该芯片为4次分谐波混频，所需输入的本振信号频率即为9GHz。HMC1093芯片通过微组装焊接在混频器结构腔体上，通过金丝键合工艺与中频、本振、射频信号线连接。HMC1093主要器件参数如表1所示。

2.2  EHF频段微带滤波器

EHF频段微带滤波器的主要目的是抑制HMC1093芯片产生的4LO和5LO杂散信号，本次设计采用平行耦合微带线的形式实现滤波的功能。平行耦合微带带通滤波器由两条平行微带传输线按一定间距排列构成，每条单独的微带线都可以等价为串联电感和并联电容，两个传输线之间电磁场相互作用，产生功率耦合，使信号从一条微带线耦合到另一条微带线，构成滤波器的基本单元。单对耦合线组难以获得良好的带通滤波器特性，采用多对耦合线组级联的形式即构成工程上所应用的平行耦合微带带通滤波器。该滤波器设计简单，可使用ADS软件进行计算和快速优化，再使用HFSS软件获得精确的结果及修正。各节微带线长度影响中心频率，微带线宽度决定阻抗，微带线间距影响耦合度，耦合线组数量决定滤波器带宽与带外抑制，通过优化这些变量以获得所需的频率响应。优化后滤波器带内VSWR<-25dB，带内损耗小于0.22dB，抑制28dB@36GHz、20dB@45GHz。HFSS模型与仿真结果如图2。

2.3  EHF频段微带转波导

微带转波导是一种应用广泛的微波器件，通常有脊波导、过渡鳍线、微带探针等几种形式。相对而言微带探针形式具有频带宽、回波损耗小、插入损耗低、结构紧凑、密封性好和易于加工装配等优点。本设计采用H面微带探针的形式，微带探针从波导宽面插入波导腔体，在探针上形成大的激励电流，传输模式由波导TE10模转换为微带准TEM模。探针后串联一段合适的高阻线抵消其附加电抗，并最终匹配到50Ω负载。其主要优化变量为各节微带线的长度和宽度、开口的大小以及短路面的距离。波导处进行倒角以满足加工要求。优化后VSWR<-34dB，损耗小于0.1dB，其-25dB带宽可覆盖34GHz～50GHz。HFSS模型和仿真结果如图3。

2.4  EHF频段波导滤波器

波导滤波器具有结构稳定、插损小、抑制高等优点。波导滤波器一般由连续传输线段和不连续传输段组成，不连续段等效电抗，连续传输段等效谐振腔。在矩形波导中按一定间距插入对称的金属膜片，形成谐振腔，调节膜片厚度控制带内插损，调节谐振腔长度控制中心频率。利用膜片产生的反射波来抵消由于负载不匹配所产生的反射波，以达到良好的匹配。EHF波导滤波器主要抑制HMC1093芯片产生的4LO和5LO杂散信号，输入与输出端增加过渡阶梯，信号从水平方向传输转为垂直方向传输，便于安装与测试。仿真结果带内VSWR<-31.4dB，带内损耗小于0.1dB，抑制42.7 dB@36GHz、27dB@45GHz。HFSS模型和仿真结果如图4。

3  加工测试

加工物料包括混频器各金属结构以及印制板，金属结构要求选择加工性能优良、硬度高、电镀性好的材料进行机加工。由于EHF频段频率（40GHz）高、波长（7.5mm）小，部分加工尺寸小于1mm，且对尺寸十分敏感，需严格控制加工公差。混频器、微带滤波器及微带转波导部分微组装于混频器结构腔体内，利于结构的稳定以及散热。波导滤波器通过螺钉与混频器腔体安装，两侧安装有射频连接器以输入中频信号和本振信号，形成一体化混频器模块。

测试设备包括直流稳压电源、信号源、频谱以及矢量网络分析仪，直流稳压电源提供给混频器稳定电压并检测电流，信号源提供中频信号和本振信号，频谱仪测试整个模块的输出功率，矢量网络分析仪可测试端口回波损耗和插入损耗等无源性能。从测试结果中可看出整个模块输出功率为-14dBm～-19dBm，减去变频损耗-13dB，整个模块增益为-1dB～-6dB。考虑到加工误差和微组装工艺，链路性能在EHF频段满足要求。测试结果与组装图如图5所示。

4  结  论

本文分析了EHF频段混频器系统的构成和各单元的功能，介绍了EHF频段混频器的频率变换和器件参数，阐述了平行耦合微带带通滤波器、微带波导转换、波导膜片滤波器的特性与设计原理。利用电磁仿真软件HFSS（High Frequency Structure Simulator）对上述器件建模并进行仿真优化，计算出仿真结果，中心频率、带宽、带内损耗、带外抑制均满足设计要求。加工出实物，使用微组装工艺进行了组装，在频率高公差大的情况下，测试结果仍然满足预期要求，具有良好的实用性，可广泛用于EHF频段卫星通信链路，其研制成功对于EHF频段卫星通信有着重要意义。

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作者简介：朱淇锐（1993.02-），男，汉族，湖南人，射频工程师，学士学位，研究方向：微波电路、卫星通信;朱晟（1990.11-），男，汉族，湖南人，工程师，硕士，研究方向：卫星通信;甘启宇（1990.04-），男，汉族，广西人，射频工程师，硕士，研究方向：微波电路、卫星通信。