一种宽带Ka频段上变频模块的设计与实现

2019-12-24刘伯文梁剑锋

无线电工程 2019年1期

刘伯文，梁剑锋，崔平

(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

卫星通信采用微波频段，且一颗卫星上可设置多个转发器，故通信容量大。以前卫星通信的常用频段是C频段和Ku频段，可用带宽为500 MHz，近年来正在向Ka频段甚至40～60 GHz高频段发展[1]，Ka频段卫星通信因其具有可提供带宽大、通信容量大、波束窄和终端尺寸小等特点，轨道平面内可容纳的卫星多和抗干扰能力强等优势成为未来卫星通信的必然趋势[2]。

Ka频段发射机作为卫星地球站发射系统中的核心设备，其将上变频功能和功率放大功能集成在一起。其中，Ka频段上变频模块实现将中频信号上变频为Ka频段信号的功能，文献[3-4]实现了中频信号到Ka频段信号的上变频，但Ka频段信号带宽较窄。本文提出的Ka频段上变频模块将C频段中频信号(2.0～4.0 GHz)上变频为Ka频段信号，Ka频段信号包括中继频段(25.0～27.0 GHz)和通信频段(29.0～31.0 GHz)，国内外尚无同类产品。

1 Ka频段上变频模块总体设计

Ka频段上变频模块设计应遵循以下原则：

① 变频方案选择：优先选择一次变频，如果一次变频不能满足，再选择多次变频[5]；

② 本振频率选取：首先，本振频率应满足相噪指标要求，这就要求该本振频率可采用较高的鉴相频率；其次，本振频率不能使输出带宽内产生较大的相关或无关杂散；

③ 器件选取：结合整机功能和性能要求，选择合适的器件(放大器、衰减器等)；

④ 链路指标分配：当组合杂散不可避免时，要注意对链路增益进行合理分配。

结合以上原则，Ka频段上变频模块最终采用一次变频方案，原理框图如图1所示。首先，高通滤波器将10 MHz参考信号和C中频信号隔离开来，10 MHz信号经过参考链路支路后为本振电路提供参考信号；C中频信号经过数控衰减器、模拟衰减器、放大器和衰减器后与本振信号进行混频，得到Ka频段信号；最后，Ka频段信号经过放大器、隔离器和滤波器后，输出到发射机的驱动放大器。

中继Ka频段对应的链路为低本振，通信Ka频段对应的链路为高本振。这样，不仅满足指标要求，且输出Ka频段信号不需要进行分段滤波，节省了空间和成本，提高了可靠性。

图1 Ka频段上变频模块原理

2 关键电路实现

2.1 参考链路方案

参考链路的核心是参考锁相电路，如果采用10 MHz作为参考信号直接锁定Ka频段本振，由于倍频次数较高，相噪远不能满足指标要求，最终确定的方案框图如图2所示。输入信号中包含了C中频信号与10 MHz参考信号。首先，通过LC带通滤波器将10 MHz预选出来；其次，通过低通滤波器滤除远端杂波，带通和低通滤波器也起到增大参考信号与C频段信号隔离度的作用；然后，10 MHz信号进行放大，以达到锁相晶振的输入参考电平要求；最终，10 MHz作为参考信号输入到锁相晶振，晶振输出100 MHz，其作为本振电路的参考信号。该100 MHz信号倍频到Ka频段后，相噪满足指标要求。

图2 参考链路原理

2.2 频率合成方案

频率合成方案主要分为3类：直接频率合成、锁相频率合成(PLL)和直接数字频率合成[6]，其中PLL又分为单环方案[3]和多环方案[7]。本文采用单环PLL+倍频的方案，如图3所示。

图3 本振原理

单环PLL采用基于HMC704的锁相合成技术，锁相环的参考信号为100 MHz，环路滤波器为有源低通滤波器，VCO输出频率范围11.0～11.5 GHz。单环PLL输出11.0 GHz和11.5 GHz两个频点，其需要进行放大以达到倍频器的驱动电平。

文献[8]中设计了输出频率为26.5～40 GHz的二倍频器，但其体积较大，且不能实现三倍频的功能，文献[9]中将五倍频器应用到本振电路中，但不具备同时二倍频和三倍频的功能。在此Ka频段上的变频模块中，倍频器选用MMIC-1芯片，这款芯片可以作为放大器或倍频器使用，区别在于栅压Vg和Vg1的选取。当用作倍频器时，其兼具了二倍频器和三倍频器的功能，11.0 GHz和11.5 GHz两个本振频点分别通过三倍频和二倍频得到了33.0 GHz和23.0 GHz的本振信号。MMIC-1供电示意如图4所示。

图4 MMIC-1供电示意

2.3 开关滤波方案

本振倍频输出含有基波和高次谐波频率，需要从众多频谱分量中提取出2次分量(23.0 GHz)或3次谐波分量(33.0 GHz)，且为了消除不同次谐波分量的相互干扰，本振信号最终采用开关分段滤波的形式，如图5所示。

图5 开关滤波示意

开关选用单片集成反射式单刀双掷开关BW129，能够提供大于25 dB的隔离度和小于2.5 dB的插入损耗。

滤波器采用薄膜工艺，在厚度10 mil，介电常数9.8的陶瓷板上制作，制作流程包括基板清洗、溅射、光刻、电镀、去胶和刻蚀等工序[10]。要严格控制加工过程中的误差，因为当误差达到一定程度，电路性能会恶化[11]。微带滤波器常采用平行耦合线结构[12-13]和交指型结构[14]，考虑到在陶瓷板上加工过孔困难，本文采用平行耦合线结构。利用仿真软件Ansoft Designer和Ansoft HFSS对模型进行协同仿真和优化。二倍频滤波器中心频率为23.0 GHz，三倍频滤波器中心频率为33.0 GHz，2种滤波器仿真曲线如图6和图7所示。

图6 二倍频滤波器仿真曲线

图7 三倍频滤波器仿真曲线

2.4 微带—波导过渡方案

考虑到末端波导隔离器和波导滤波器均为波导接口，而Ka频段放大器输出为薄膜微带电路，所以需要在模块末端添加微带—波导过渡结构。常见的微带—波导过渡结构包括：阶梯脊波导过渡、耦合探针过渡[15]和对脊鳍线过渡[16]等。阶梯脊波导结构加工复杂，损耗较大；耦合探针结构因波导出口方向与微带电路方向垂直，与实际使用要求相冲突；而对脊鳍线过渡结构简单，成本低，输入输出信号方向一致，符合工程需要，最终选择对脊鳍线过渡作为过渡模型。微带—波导鳍线过渡结构如图8所示，运用仿真软件Ansoft HFSS对模型的传输(S21)和驻波(S11)性能进行仿真，仿真曲线如图9所示。

图8 微带—波导鳍线过渡结构

图9 鳍线过渡仿真曲线

2.5 测试结果

在常温(+25 ℃)、低温(-40 ℃)和高温(+70 ℃)下，用SK3325直流电源、Anritsu 54147A标量网络分析仪、Agilent E8257D信号源和Agilent N9030A频谱仪对模块进行了全面测试。其中相位噪声测试曲线如图10所示，实测结果与仿真结果基本一致。

图10 模块相位噪声曲线

该模块的本振频率可在23.0 GHz和33.0 GHz两个频点间切换，使得输出频率范围覆盖了中继频段(25.0～27.0 GHz)和通信频段(29.0～31.0 GHz)，而文献[3]只覆盖了通信频段(29.4～31.0 GHz)；得益于参考信号的处理，输出信号在100 kHz处的相位噪声指标优于-100 dBc/Hz，与文献[4]相比有明显改善。