一种星载V 频段接收机的设计①

邓向科,张文政,李正纲

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

目前,通信卫星系统向着更高频率、更宽信号带宽及通信容量(Tpbs)的方向发展[1-4]。 近年来高通量通信卫星系统(HTS)不断发展[5-9]。 HTS 系统信道带宽很宽,能够为用户提供高速的Internet 业务,特别是舰船、飞机等动中通业务和偏远地区的互联网络业务,为HTS 卫星系统专属业务领域。 HTS 卫星系统要实现通信容量的跨越式发展,重点需要突破带宽资源的限制,提升频谱利用效率。 频率利用效率受通信体制、地面系统、星上载荷等多方面工程因素制约,并且理论上也存在香农极限的制约。 因此,拓展带宽资源是技术突破的重要方向。 Q/V 频段带宽资源丰富,可提供给通信业务5 GHz 的带宽,把HTS 载荷频率拓展到Q/V 频段是高通量通信系统的必然技术。 V 频段接收机作为Q/V 馈电载荷中的关键设备[10-13],实现地面V 频段上行信号的低噪声接收、变频及放大。 文章报导一种采用多芯片组件(MCM)技术的星载V 频段接收机的设计和工程实现方法。 解决了毫米波频段星载接收机的稳定性设计、宽带互联设计和整机集成设计技术。

1 V 频段接收机方案及组成

1.1 指标要求

V 频段接收机的功能指标如下所示:

输入频率:49 ~51.5 GHz

输出频率:17.7 ~20.2 GHz

工作带宽:2.5 GHz

本振频率:31.3 GHz

增益:60±2 dB

增益平坦度:2.5 dB

噪声系数:4.5 dB

可以看出该接收机频段高、带宽宽,对产品的高频宽带互联特性,射频集成方式提出了较大挑战。

1.2 设计方案及组成

V 频段接收机主要由V 频段低噪放模块、V/Ka下变频器射频MCM 模块、本振MCM 模块和二次电源四部分组成,接收机的实现框图如图1 所示。

图1 V 频段接收机组成框图Fig.1 Building blocks of V band receiver

1)V 频段低噪声放大器模块采用基于MHEMT低噪声工艺的微波单片集成电路芯片(MMIC),通过多级级联封装在一只波导管壳内,实现接收机前端低噪声接收和放大功能。

2)V/Ka 下变频通道采用一次变频实现V 频段信号至Ka 频段信号的变频、滤波和放大。 该模块基于MCM 技术,所有电路均通过裸芯片实现,封装在统一的管壳内。 为实现腔体隔离和电磁屏蔽,射频链采取独立分腔,腔体间通过垂直互联实现信号传输。

3)本振电路[14]通过梳妆谱发生器和数字混频环电路将输入的100 MHz 参考锁定在C 频段,再经过8 倍频得到最终的本振信号。 该模块也采用MCM 技术,所有电路均通过裸芯片实现,封装在统一的管壳内。

2 单元电路仿真与关键技术实现

2.1 V 频段低噪放

2.1.1 低噪放稳定性设计

V 频段低噪放工作频率高,同时采用70 nm 工艺的低噪声放大器单片的增益在高频下降缓慢,给低噪放整体的稳定性设计提出了较大挑战。 本文对低噪放腔体和电路基板布局进行三维全波电磁仿真,其本基模电磁场分布及稳定性仿真结果如图2所示。

图2 V 频段低噪放基模电场分布及稳定性仿真Fig.2 Simulation of V band LNA electromagnetic field and stability factor

模块使用的MMIC 低噪声放大器单片在上述谐振频率处增益均小于0 dB,因此不存在谐振耦合导致放大链路闭环增益大于0 dB 的风险,理论上不存在这种形式的自激产生。 同时由基模电磁场云图可知,谐振电磁场未在射频传输路径上,且该谐振场集中的地方本文设计了低频的馈电电路进一步破坏了该模式的场分布,因此不存在该模式导致的自激风险。

2.1.2 V 频段微带至波导转换设计

低噪放电路对噪声系数要求严苛,波导至微带转换电路位于低噪放的前级,其插入损耗直接影响了整体电路的噪声系数特性。 本文采取微带探针的形式实现微带至波导的转换,保证电路低插入损耗。具体结构如图3 所示,将微带片伸入波导E 面,其仿真结果如图3 所示。

图3 V 频段波导微带转换仿真Fig.3 Simulation of V band waveguide to microstrip transition

2.1.3 低噪放整体设计

V 频段低噪声放大器模块采用非密封波导形式的结构,整个模块的输入输出波导口从宽边被等分劈成两半,从波导宽边劈开可以保证劈开的缝隙不割断波导内壁的射频电流路径,减小了辐射损耗,也改善了EMC 性能。

通过将结构和电路进行场路结合仿真,得到的低噪放整体仿真结果如图4 所示。 从仿真结果可知,V 频段低噪放噪声系数为3. 5 dB,增益大于40 dB,满足指标要求。

图4 V 频段低噪放仿真曲线Fig.4 Simulation of V band LNA

2.2 V/Ka 变频通道

2.2.1 V 频段微带-同轴-波导转换设计

变频部分电路对噪声系数要求不高,在V 频段采用了微带-同轴-波导的转换电路,应用此结构的好处是管壳中使用一段玻璃同轴绝缘子实现信号传输,可以保证整个电路的密封性。

该转换电路包括两个部分,波导至同轴转换采用E 面探针的形式,同轴至微带的转换采用空气同轴补偿设计,极大的改善了高频的互联特性,其仿真模型和仿真结果如图5 和图6 所示。 从仿真结果可看出,两端过渡结构在 V 频段回波损耗均优于-20 dB,满足整体的互联要求。

图5 V 频段波导同轴转换仿真Fig.5 Simulation of V band waveguide to coaxial transition

图6 V 频段同轴微带转换仿真Fig.6 Simulation of V band coaxial to microstrip transition

表1 V 频段波导同轴转换模型参数Tab.1 Parameters of V band waveguide to coaxial transition

表2 V 频段同轴微带转换模型参数Tab.2 Parameters of V band coaxial to microstrip transition

2.2.2 V/Ka 变频通道整体设计

V/Ka 变频通道采取采用MCM 技术实现多芯片的集成,整个电路采用正反两面布局。 射频面共分为5 个独立的腔体。 在电路的正面有一个高频腔体,其功能上实现V 频段信号的放大,V 频段至Ka 频段信号的变频。 该腔体内信号组成复杂,频率范围从Ka 频段至V 频段,本文重点分析了该腔体内的频率分量及谐振模式分布。 对腔体内部的结构和电路基板进行了详细的建模。 得到最低的谐振频率为41 GHz,通过观察整个腔体的谐振场分布,可看出该腔体的前5 个谐振模式均集中在混频后低频腔体,该低频腔体的最高工作频率21 GHz 远远小于第一谐振模式41 GHz。 此外,高频腔体传输和隔离特性对模块稳定性影响较大,本文对含有电路基板的腔体传输和隔离进行了详细仿真,仿真结果表明其各端口的隔离特性远大于有源芯片的增益。 综合上述两点分析,设计可以保证电路的稳定性。

在上述工作的基础上,将有源芯片的S 参数文件和结构与电路基板三维电磁场仿真得到的多端口S 参数文件进行级联,得到变频通道场路结合整体仿真的结果如图7、图8 所示。

图7 V 频段变频器仿真结果Fig.7 Simulation of V band convertor

图8 V 频段变频器实物Fig.8 Photograph of V band convertor

2.3 本振电路设计

本振电路实现框图如图1 所示,其主要包含锁相环电路和倍频电路两部分。 其中频率源电路基于谐波发生加混频的设计原理,将输入参考信号经过功分器一分为二,一路作为微波锁相频率源的参考信号,另一路经过放大后作为谐波发生器的输入信号,谐波发生器产生的信号经过带通滤波器滤波后作为混频器的射频输入信号,振荡器输出的信号耦合一部分再作为混频器本振输入信号。 混频后的中频信号经过滤波放大后进入鉴相器与参考信号进行鉴相,实现环路对振荡器输出信号的锁定。 该频率源输出的信号经过8 倍频链路倍频后得到最终的V频段接收机本振信号。

3 V 频段接收机实物验证结果

对V 频段接收机的主要性能进行了详细测试,测试结果如表3 所列,增益平坦度和噪声系数实测曲线如图9 所示。

图9 增益平坦度及噪声系数测试曲线Fig.9 Test curve of gain flatness and noise figure

表3 V 频段接收机性能指标Tab.3 Performance and requirement of V band receiver

4 结论

本文给出了一种星载V 频段接收机的设计和工程实现方法。 通过精确仿真实现了毫米波频段星载接收机的高性能指标。 设备的工作带宽达到2.5 GHz,是现有通信卫星载荷中带宽最宽的接收机。 噪声系数小于3.5 dB,满足系统使用要求。同时通过采用微波多芯片组件技术进行集成,使得设备的重量大大减小,且目前已经通过了地面鉴定级试验验证,完全具备上行应用的条件。 后续还将进行地面寿命加速试验,进一步积累接收机地面可靠性验证数据。