一种Ka频段单通道调制器的设计与实现

刘红杰，窦 骄，石 雷，王雪宾

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

0 引言

单通道单脉冲跟踪系统具有系统复杂程度小，通道占有少的优势，现有星载天线跟踪系统多采用单通道单脉冲跟踪体制[1]。单通道调制器是单通道单脉冲跟踪系统的重要组成部分，其主要功能是利用低频调制信号对多模馈源生成的差信号进行相位调制，再与和信号进行合成，从而形成包含天线指向误差信息的单通道调幅信号[2]。

微组装技术是新一代电子组装技术，它使用高密度多层电路基板，采用微焊接、引线键合等工艺将多个半导体裸芯片装贴在电路基板上，实现物理和电气连接。微组装技术是实现电子设备小型化、高性能、高可靠性的关键技术之一，在军民领域均有广泛应用[3-4]。

本文采用多芯片微组装技术设计实现了一种Ka频段单通道调制器，具有高集成度、小型化、噪声系数低、载波抑制度好、调制抑制高等特点。

1 Ka频段单通道调制器设计

1.1 设计指标

Ka频段单通道调制器的设计指标如表1所列。

1.2 设计方案

Ka频段单通道调制器应具有如下功能：

1)对来自天线多模馈源的Ka频段和、差信号进行低噪声放大、滤波，以满足系统的G/T值要求；

2)对差信号进行相位调制；

3)对和、差信号进行合路下变频到S频段；

4)对X频段本振信号以及S频段中频输出信号进行滤波处理；

5)对输入的+5V/-5V电源进行滤波、分压，以满足不同微波裸芯片的供电需求。

单通道调制器主要包括电源及开关驱动、射频电路和结构壳体三部分。射频电路分为和支路通道、差支路通道、和差支路合路下变频三部分。射频电路原理框图如图1所示。

表1 Ka频段单通道调制器设计指标要求Tab.1 Design requirement of Ka band single channel modulator

图1 射频电路原理框图Fig.1 The schematic of RF circuit

对和通道的链路增益和噪声系数进行了预算，结果如表2所列，由计算结果可知和支路的增益为31.8dB，噪声系数为1.93dB。

Ka频段和、差信号通过波导微带转换进入单通道调制器。对单通道调制器设计指标进行分析，并查阅大量现有的低噪声放大器裸芯片技术手册，和、差支路均采用两级低噪声放大器单片，可以满足增益、噪声系数等指标要求。所选低噪放芯片型号为WFD190240-L16，其主要电性能指标如表3所列。和通道支路完成和路信号放大、滤波；差通道支路完成差路信号放大、滤波、0/π调制；然后和、差两路信号合路后通过谐波混频器下变频到S频段。

电源及开关驱动部分将+5V/-5V直流输入电压经过分压、滤波处理后提供给通道内各有源芯片使用。开关驱动器将输入的低频调制信号转换为满足0/π调制器要求的驱动信号。

宇航用混合集成电路尤其是微波组件，主要采用金属管壳进行气密性封装，密封保护功能对于宇航用高可靠混合集成电路产品尤为重要，可保证产品在地面试验、发射、空间运行等各种复杂环境中免受外部腐蚀性气体的侵蚀，同时能够耐受冲击振动和空间辐照[5-7]。结构设计采用铝镀金工艺，该工艺为成熟工艺，满足微组装粘接要求和有源芯片散热要求；密封采用激光封焊技术，封焊过程中在壳体内部填充惰性气体氮气，封焊完成后氮气被封存在结构壳体内部，对微波裸芯片起到保护作用。

表2 和通道链路计算Tab.2 The link calculation of sum channel

表3 Ka频段低噪放芯片电特性参数Tab.3 Ka band LNA chip electrical characteristic parameter

2 功能电路仿真与设计

2.1 波导微带转换结构设计

Ka频段和、差信号采用BJ260波导作为输入接口，为了实现波导到微带电路的转换，设计波导微带密封转换结构[8-9]，将天线传来的和、差信号由矩形波导的TE10模转换为微带线的准TEM模。完成波导与微带电路间的转换至关重要，常见的波导-微带过渡技术主要有三种：脊波导形式过渡、探针形式过渡、以及对脊鳍线过渡[10-12]。本文波导微带转换结构采用微带平面与波导E面平行的设计方法[13]，微带与波导E面间采用同轴探针连接，同轴探针选用射频玻璃绝缘子，绝缘子一侧插入BJ260波导腔体宽边中心位置，实现波导与探针耦合，另一侧焊接在微带线上。其仿真模型和仿真结果见图2、图3所示。

图2 波导微带转换三维模型Fig.2 The 3D model of waveguide microstrip conversion

图3 波导微带转换三维仿真结果Fig.3 The 3D simulation results of waveguide microstrip conversion

2.2 薄膜滤波器设计与实现

微波滤波器是收发前端的重要部件，其作用是滤除镜像频率和信道中的各种谐杂波，其性能的优劣对前端影响很大。波导滤波器的优点是带内插损小、带外抑制度高、矩形系数好，其缺点是体积大，质量重，不能与微带电路进行集成。微带滤波器在Ka频段对加工精度要求高，而软基板加工工艺和线条精度很难满足实际要求，因此Ka频段微带滤波器实际测试结果很难达到仿真设计值，插入损耗、带内平坦度和带外抑制度等指标均难满足系统要求[14-15]。为了解决微带滤波器电路加工精度问题，本文采用具有更高精度的薄膜工艺来研制微带滤波器。

如图1中单通道调制器需要两款薄膜滤波器，一款是Ka频段带通滤波器，用以滤除镜像频率和带外干扰；另一款是S频段低通滤波器，用以滤除下变频后的各种谐杂波，得到纯净的中频信号。系统通常对毫米波前端体积和重量有较高的要求，为了实现薄膜滤波器的小型化[16]，采用了即烧三氧化铝基片，其介电常数为9.7，较高的介电常数使得滤波器的尺寸更小。Ka频段带通滤波器采用平行耦合式结构，其阶数为5阶；S频段低通滤波器采用高低阻抗结构；为统一两款滤波器尺寸，节约制版费用，尺寸统一为9.9mm×2.8mm×0.254mm两款滤波器的仿真模型和仿真结果分别如图4至图7所示。

图4 Ka频段带通滤波器三维模型Fig.4 The 3D model of Ka band bandpass filter

图5 Ka频段带通滤波器三维仿真结果Fig.5 The 3D simulation results of Ka band bandpass filter

图6 S频段低通滤波器三维模型Fig.6 The 3D model of S band bandpass filter

图7 S频段低通滤波器三维仿真结果Fig.7 The 3D simulation results of S band bandpass filter

依据仿真优化后的模型投产了滤波器样片，装配后进行实际测试，装配后实物图及实测结果如图8至图11所示。

图8 Ka频段带通滤波器实物图Fig.8 The Ka band bandpass filter

图9 Ka频段带通滤波器实测值Fig.9 The measured value of Ka band bandpass filter

图10 S频段低通滤波器实物Fig.10 The S band lowpass filter

图11 S频段低通滤波器实测值Fig.11 The measured value of S band lowpass filter

实测结果表明：Ka频段带通滤波器带内插损小于3.5dB，带内驻波优于1.5，在25.XXGHz±0.4GHz频段的抑制优于47dB，满足实际使用需求。S频段低通滤波器在DC-2.42GHz内的插损小于1dB，驻波优于1.1，对本振10.XXGHz的抑制优于80dB，满足实际使用需求。

2.3 0/π调制器设计

0/π调制器将Ka频段差信号在两段电长度相差180°的微带线上交替传输，实现差信号的相位调制。它由一对微波单刀双掷开关芯片、基准态微带传输线、移相态微带传输线以及开关芯片偏置电路组成，其电路原理图如图12所示。基准态微带传输线与移相态微带传输线相位差为180°。Vcc和Vee为等幅反向的低频调制信号， S1和S2切换频率由低频调制信号频率决定。0/π调制器正常工作时，Vcc为负，Vee为正时，开关S1、S2选通上支路，信号从180°微带传输线通过；反之，Vcc为正，Vee为负时，开关S1、S2选通下支路，信号从0°微带传输线通过。两路信号产生调制相位差，达到0/π二相调制。

图12 0/π调制器原理图Fig.12 The schematic diagram of 0/π modulator

2.4 Ka频段合路器与本振滤波器设计

如图1所示，单通道调制器需要本振滤波器及Ka频段合路器。由于本振频率为X频段且为单频点工作，因而可以采用ROGERS 5880软基板制作，而不需要采用薄膜工艺。发卡型微波滤波器具有物理尺寸小、结构紧凑、更容易集成、性能优良等特点[17-20]，因而本振滤波器选择发卡型微带滤波器，其阶数为3阶，其仿真模型和仿真结果如图13、图14所示。Ka频段合路器采用经典的威尔金森合路器形式，其仿真模型和仿真结果如图15、图16所示。

图13 本振滤波器三维模型Fig.13 The 3D model of local oscillator filter

图14 本振滤波器三维仿真结果Fig.14 The 3D simulation results of local oscillator filter

图15 Ka频段合路器三维模型Fig.15 The 3D model of Ka band combiner

图16 Ka频段合路器三维仿真结果Fig.16 The 3D simulation results of Ka band combiner

2.5 有源芯片选型

根据表1技术指标要求，结合现有成熟货架产品手册数据，经过几次指标迭代分析计算，最终选定有源芯片型号。谐波混频器芯片电特性参数如表4所列。

表4 谐波混频器芯片电特性参数Tab.4 Harmonic mixer chip electrical characteristic parameter

3 单通道调制器测试

为了实现单通道调制器的集成化和小型化，采用了正、反两面布局的方式进行设计。将射频电路布置在结构件的正面，将电源及调制电路布置在结构件的背面。整个单通道调制器的尺寸为77mm×43mm×20.2mm，如图17所示，重量仅为160g。

图17 单通道调制器实物图Fig.17 The single channel modulator

测试表明(图18-图21)，单通道调制器在要求的工作频率范围内和通道增益为30.97dB，噪声系数为1.94dB，实测结果与链路计算结果吻合；差通道增益为27.45dB，差通道的噪声系数为6.57dB；和差通道增益差为3.52dB；载波抑制为52.7dB，调制抑制为37.6dB；各项指标满足设计要求。

图18 和通道增益及噪声系数测试值Fig.18 The measured value of sum channel gain and noise figure

图19 差通道增益及噪声系数测试值Fig.19 The measured value of difference channel gain and noise figure

图20 载波抑制测试值Fig.20 The measured value of carrier suppression

图21 调制抑制测试值Fig.21 The measured value of modulation suppression

4 结论

卫星平台及有效载荷的轻量化、小型化、集成化是未来航天系统的发展趋势。为顺应星载自跟踪系统轻量化、小型化发展趋势，本文采用多芯片微组装技术，通过合理的系统分析和仿真设计，在厚度为0.254mm、相对介电常数为2.2的ROGERS 5880介质基板以及相对介电常数为9.7的Al2O3介质基板上设计实现了一种Ka频段单通道调制器。该调制器实现了小型化和集成化，采用BJ260波导作为输入，其和通道增益为31dB，噪声系数为1.94dB，和、差通道增益差满足3±1dB，载波抑制为52.7dB，调制抑制为37.6dB，经过地面各项试验及在轨飞行验证其各项指标满足要求，适应工程化应用。