EHF频段上变频器设计及实现

贾世旺

（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

上变频器是卫星通信系统上行链路的主要设备,主要功能是完成中频到射频的频率变换,提供适当的增益并能实现链路增益的调整。

EHF频段（30～300GHz）和其他频段相比,具有可用带宽宽、干扰少、设备体积小的特点。EHF频段通信容量大,可以大大提高扩频、跳频等抗干扰、抗截获措施的性能。目前,国际上EHF频段军事通信卫星大部分工作在44GHz/20GHz频段。

EHF频段上变频器研制的难点在于:工作频率高,加工、制造工艺复杂;中频相对带宽比较宽,带内幅频特性指标难实现;设备3次变频的输出杂散控制比较困难。

1 方案选择

EHF频段的上变频器主要设计技术指标:

①增益:＞25dB;②幅频特性:＜5dB/2GHz;③杂散抑制:＜-50dB。

变频器的设计的关键是设备中的中频选择（即频率配置）以及电平分配。从频率变换的过程来看,变频器可以分为一次变频、二次变频和多次变频等形式。

上变频器中若采用一次变频方式,由于中频频率相对于射频输出频率较低,且射频输出工作带宽大于中频输入带宽,本振频率会泄露在射频输出工作带宽内。为了避免本振频率的泄露,必须在设备的输出端加一个抑制本振频率的带通滤波器,且该滤波器的中心频率必须与带通滤波器和频率合成器同步可调,这无疑增加了设备的成本和设计难度。

采用2次及2次以上变频的变频器中,只需改变频率合成器的频率就可选出所需信号,而各滤波器均可设计成频率和带宽都固定的滤波器。方案的频率变化适应性最强,频率灵活性最佳。但随着变频次数的增加,频率配置不合适时将出现组合频率干扰,本振谐波干扰等。

根据设备技术指标及频率接口的要求,并考虑混频器等器件的技术指标,设备采用3次变频的方案实现,具体分析见第1中频频率选择。设备变频过程框图如图1所示。

图1 上变频器变频过程框图

为了下文叙述方便,定义第1级混频器后的频率为第1中频,简称IF1;第2级混频器后的频率为第2中频,简称IF2;设备中频输入简称IF。

2 中频选择及杂散计算

变频器设计的关键是杂散的控制。杂散产生的原因一般是由于混频器在混频过程中产生的谐波引起的。混频器是变频器中至关重要的器件之一,混频器的基本用途就是利用本振信号把信号从一个频率变到另一个频率。

混频器利用非线性元件来实现输入信号、本振信号及2种信号的高次谐波在频率上的加、减运算。为了提取出有用信号,在混频后要加上适当的滤波器,滤除无用的杂散分量。但有些杂散分量（例如带内杂散）是无法通过滤波器滤除的,只能通过调整信号频率,避免混频过程中的杂散频率落入工作带内。

当混频器应用在上变频器中,输入频率、输出频率和本振频率存在以下关系:

式中,frf为混频器输出频率;flo为混频器本振频率;fif为混频器输入频率;m、n分别代表本振频率及输入频率的谐波次数。

如果设备采用多次混频,前一级混频的输出频率又作为下一级混频的输入频率,导致最终设备的输出杂散频率十分丰富,所以在每次混频后都需要增加滤波器,用于滤除本次混频产生的杂散信号,避免其进入下一级混频器。前面提到有些带内杂散信号是无法通过滤波器滤除的。带内杂散信号中的一部分,可以通过调整混频器输入电平来降低杂散信号的电平。

如果在方案设计阶段就能计算出杂散的频率和电平幅度,就可以根据计算结果调整中频频率使得最终设备的杂散能够满足要求,实现设备最优设计。选择一个好的中频频率,可以降低系统的设计复杂度,提高设备的杂散等指标。

为了确定最优的中频频率,可以通过公式计算混频输出杂散,根据结果调整频率,再计算,寻找出合适的中频,周期较长;另一种方法是可以通过微波仿真工具更加直观、快速寻找出合适的中频频率。

Agilent公司的微波设计软件GENESYS中的频率规划（What IF）综合设计工具能够根据设定的频率关系,自动寻找无杂散或杂散最低的区域,选择最优的中频频点,以下的两次中频选择就是应用该软件实现的。

2.1 中频频率选择

（1）第二中频频率IF2选择

使用频率规划工具,设定混频的射频输出频率,以及射频带宽、中频带宽以及本振功率,就可以寻找无杂散或杂散最低的区域。

中频选择仿真结果如图2所示。图中①区域为没有杂散区域;②区域为存在杂散区域。可以看出杂散电平小于-60dBc的中频可供选择的区域为1.0～20.5GHz。根据以下2条原则就可以确定中频IF2的频率:①工作在毫米波频段的混频器,可供选择商品器件的不多,工作在EHF频段的混频器中频频率一般不大于4.5GHz,因此IF2的频率必须小于4.5GHz;②同时因为设备中频IF2带宽为2GHz,为了避免2×IF2+LO3信号进入工作带内,中频频率的最低频率必须选择在2GHz以上。综合考虑将中频IF2选择为2GHz以上,4.5GHz以下。

图2 中频IF2频率选择

（2）第一中频频率选择

当IF2选定后,假设设备采用2次变频,则IF1频率为中频输入IF（设备输入频率为L频段信号）。此时IF与IF1相隔较近,导致本振频率无法抑制,所以方案必须采用3次变频。只有IF1选择为一个较高的中频上,才能避免出现上述的问题。

从IF1中频选择仿真分析结果如图3所示。图中①区域为没有杂散区域;②区域为存在杂散区域。在0～17GHz范围内,只有0～450MHz范围内没有杂散,在其他频率内均存在不同组合的杂散分量。当频率超过12.35GHz后杂散分量只有-2IF1+3LO1这一个杂散,这一杂散可以通过降低IF1的电平,使得杂散电平降低到设备的要求值。

图3 中频IF1频率选择

因为L/Ku模块方案已经很成熟,最终中频IF1频率选择在Ku频段,缩短了设备设计周期。

2.2 杂散分析

确定中频频率后,进行杂散分析。第1次混频后的杂散分析,在IF1带内无杂散频率产生,带外主要杂散为f（2,1）,通过混频后增加带通滤波器,完全可以将杂散电平抑制到很低的水平,可以忽略。需要注意的是,LO1本振频率多采用倍频的方案实现,为了防止LO1本振的基频频率的多次谐波随LO1本振进入混频器,LO1本振输出后要增加滤波器,用来滤除无用的LO1本振谐波。

第2次混频杂散分析,在IF2频率范围内,主要杂散为f（-2,-2）、f（3,-2）、f（-4,3）等组合频率,带内的组合杂散最低次数为4次,由于第2次混频采用双平衡混频器,m为偶数的被抵消。虽然7次产物落入带内,但可以通过减小输入的IF1电平,来控制组合干扰的幅度,完全可以满足变频链路通用指标的要求。

第3次混频后的杂散分析,在EHF频率范围内主要杂散信号为f（1,2）。通过调整中频入口电平,可以降低杂散信号电平幅度,同时混频后增加腔体滤波器,对杂散也有一定的抑制。通过以上分析,只要控制好各级混频器的输入电平,杂散可以控制在要求的范围内。

2.3 电平分配

根据以上杂散计算可知,为了降低第2次混频产生的杂散,必须降低混频器的输入电平到-20dBm以下。在此基础上合理分配每级的增益,以保证设备的各项指标满足要求。

3 关键技术

3.1 中频选取

EHF频段上变频器采用3次变频技术,中频频率的选取尤其重要,一个合适的中频频率,不但可以降低设备的杂散电平,而且还可以降低设备的设计难度。

3.2 高精度的制造和装配工艺

在EHF频段,波长很短,相同电长度的电路元件实际尺寸会比低频段的元件尺寸小很多,所使用的放大器、混频器元件只能采用没有封装的管芯,这就对印制板的加工精度、元件安装精度、焊接精度提出很高的要求。在EHF频段有些关键尺寸的加工精度要求小于0.01mm。

由于同样的原因,在该频段设备装配过程中要求更加严格。装配过程主要包括:裁板、粘接、键合等工序。特别是在粘接及键合工序上更加容易出问题。通过对制造和装配工艺的试验摸索,很好地解决了毫米波频段高精度制造和装配工艺问题。

3.3 EHF频段变频技术

变频器包含了混频、滤波、放大等多个环节。为了满足设备指标要求,主要采取了如下的技术措施:

①采用新型谐波混频器,降低本振的工作频率,减小了本振的实现难度;②采用微带探针形式波导-微带过渡,通过波导H面的孔插入波导腔中,降低了插入损耗,改善了端口驻波;③采用新型电路,电路在IF2频率范围内,频率响应小于2dB,保证了整机的幅频特性指标;④增加了新型结构的均衡补偿电路,补偿EHF频段的分布参数影响,整机2GHz带宽内幅频特性小于3.5dB,满足了系统指标需要。

3.4 波导滤波器设计

在设备研制过程中,需要研制EHF频段的滤波器对本振信号抑制60dB以上。根据仿真结果,一般的微带滤波器很难满足要求。

波导滤波器具有Q值高,损耗小的特点,波导滤波器能够满足指标要求。根据指标要求,研制了波导滤波器,其带内损耗小于2dB,带内幅频特性0.5dB/2GHz,对本振频率的抑制达到64dB以上。经整机测试,对杂散信号的抑制满足设计要求。

4 测试结果

设备调试完成后,进行了指标测试。图4所示的测试曲线为设备幅频特性补偿前后的曲线,从图中可以看出补偿前幅频特性为8dB左右,补偿后为3.5dB,增益也满足设计要求。设备的杂散输出最大为-55dBc,1dB输出功率大于+16dBm。

图4 幅频特性补偿前后比较

5 结束语

随着系统频率的不断提升,微波射频设备的工作频率越来越高,给设备研制带来了很大的挑战。采用3次变频方案,实现了L频段到EHF频段上变频器,EHF频段1dB输出功率大于+16dBm,2GHz带宽内幅频特性小于3.5dB,指标测试满足设计要求,关键指标达到国外同类产品水平。设备研制过程中,解决了EHF频段加工、装配等关键工艺技术,为同类产品的研制提供了技术保证。

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