一种新型星载QPSK调制模块的设计

贾宏丽,白 旭，王 瑞，李春梅，李 福

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

调制模块是卫星数据传输系统中的关键部件，近年来随着遥感卫星用户出现了井喷式的需求，同时海量的遥感数据对地下传是一个必须解决的问题，所以数据传输系统中高码速率调制模块性能的良好显得越来越重要[1-7]。

目前现有的调制模块一般是由90°功分器、BPSK调制电路部分、0°功率合成器组成。各部分比较成熟的设计方法如下：(1)90°功分器采用Lange桥实现，Lange桥由一组密集排列的微细叉指连接组成，主要功能实现输出端口幅度相等，相位相差90°；(2)BPSK调制电路部分主要由槽线、微波二极管以及空间金带飞线(通过微带线来传输I路或Q路数据的方式进行传输数据)组成，实现将基带数据直接调制到射频载波上；(3)0°功率合成器一般选用Wilkinson功率合成器，将2路BPSK调制信号合成一路输出。

本设计和现有的调制模块相比，主要实现了以下创新：(1)90°功分器用1/4波长电桥代替Lange桥来实现载波相位相差90°的功分功能，与原来Lange桥从实现方式上相比，操作人员不需在显微镜下进行Lange桥金丝压接，调试风险点减少，功能的实现依靠设计保证，从而使90°功分效果更佳；(2)BPSK调制电路部分：BPSK调制模块主要由巴伦、二极管 、直接通过微带线来传输(I路或Q路数据的方式进行传输数据)组成，实现将基带数据直接调制到射频载波。与现有的BPSK调制模块从实现方式相比，使用微带到槽线的过渡结构实现了巴伦的功能，使调制模块幅度达到更优的幅相指标；数据传输通过微带线通孔直接向调制解器提供数据的方式代替隔离槽线与金丝搭接的压焊方式，避免了隔离槽线与金丝搭接这一环节，设计上实现了调制模块更优的幅相特性和端口匹配特性。

1 调制模块原理

调制模块原理框图见1。

图1 调制原理

调制模块电路的原理：将输入的载波信号经1/4波长电桥分成相互正交的两路载波信号即相位相差90°，待调制的数据信号(data_I和data_Q)由BPSK调制部分实现“0”和“1”状态的数据信号直接调制到相互正交的载波上，BPSK调制后的信号经过0°功率合成器输出[6]。由上述框图1能够得出调制模块分别对同相载波及正交载波进行二相调制，即可得到相应的QPSK调制[6]。二进制相移键控(2PSK)信号中的表达式中，一个码元的载波初始相位等0或π。那么推广到四进制时，正交相移键控(QPSK)信号元素可以表示为[6]：

Sk=Acos(w0t+θk)k=1，2，3，4

(1)

式中，A是一个常数；θk是均匀分布的调制相位，所以它可表示为:

(2)

k取2的某次幂。

4=2k=2

(3)

在分析中，为了不失一般性，令A=1时，信号码元为：

Sk=Acos(w0t+θk)=akcosw0t-bksinw0t

(4)

那么QPSK调制信号可以表示为：

(5)

在公式(5)中，g(t)是一个矩形脉冲，脉冲宽度等于相应的符号周期；

φk为受调相位，由4个状态(45、135、225、315°)，wc为载波角频率[6]

ak=sinφkbk=cosφk

(6)

2 新型星载调制模块电路设计

该新型星载调制模块主要涉及微带线-槽线过渡实现的巴伦功能及混频器的设计方法; 微带线向调制模块来传输I路或Q路数据的设计方法；采用了1/4波长电桥替代Lange桥的设计方法。目前，该设计方法已应用于某型号星载调制模块，成功解决了调制模块在装配、调试过程中遇到的问题。

2.1 微带-槽线的巴伦与BPSK调制模块的设计方法

文章关键在于如何设计一种微带-槽线巴伦实现BPSK调制模块的功能。在研制中，主要通过使用微带到槽线的过渡结构设计实现了巴伦的功能，具有良好的幅度平衡特性和两个输出端口180度相位差；同时，采用基带数据通过微带线通孔传输数据的方式代替金带压焊的方式，实现了BPSK调制模块的一体化设计。其三维图形如图2所示：在基片上表面输入端口，四分之一波长微带线过渡到槽线，槽线输出端口等幅反相，通过微带线长度与槽线槽宽调节输入端口阻抗匹配，实现巴伦功能。在巴伦后端增加两个反向工作的二极管，实现BPSK调制模块的功能。该设计方法成功避免了在装配过程中背面隔离槽线与金丝的搭接这一环节，同时设计的BPSK调制模块达到更优的幅相指标和端口匹配特性。

图2 BPSK调制电路的三维仿真设计

2.2 1/4波长电桥代替现有的Lange电桥

本次设计采用1/4波长电桥代替现有的Lange电桥来实现载波相位相差90°的功分功能，与原来Lange桥从实现方式上相比，操作人员不需在显微镜下进行Lange桥金丝压接，调试风险点减少，功能的实现由设计保证，从而使90°功分效果更佳；整个1/4波长电桥的三维设计如图3所示：

图3 1/4波长电桥的三维图仿真设计

2.3 调制模块的三维结构

调制模块微带电路三维结构图见图4所示，利用场与路的联合仿真设计的方法，采用高频仿真软件CST和ADS对整个调制模块的电性能指标进行仿真。在中心频率处，星座图的仿真结果见图5所示，调制模块频谱的仿真结果见图6所示：

图4 新型调制模块电路三维结构

图5 新型调制模块的星座图

图6 调制模块频谱的仿真结果

由图6可知，调制模块在中心频率处,调制谱的谱型：光滑、无毛刺、无载波泄露；由图5可知，星座图EVM仿真结果为0.5%。

3 性能测试与对比分析

3.1 新型调制模块的性能测试

首先根据新型星载调制模块的频率选择合适矢网分析仪，给调制模块提供合适的数据源，测试幅相不平衡，结果如表1所示：

表1 幅相不平衡计算示例

根据测量结果计算可得到：幅度不平衡最大值为0.48dB， 相位不平衡为最大值1.9°。

3.2 性能测试对比

新型星载调制模块设计及装配完成后，就工作频率、幅度不平衡、输出驻波比等主要指标与现有调制模块进行对比，比对结果如表2所示：

表2 新型星载调制模块的设计指标与仿真、实测结果与现有调制模块的实测结果比较表

从上述表格可知，该设计方案较好的满足了幅相不平衡指标≤1 dB ，≤5°，并通过实物研制与现有调制模块实物测试的主要指标对比分析，幅度不平衡优化0.04 dB，相位不平衡优化0.48°，输出驻波比优化0.08，充分验证了该新型调制模块设计方案的有效性和准确性。该新型调制模块特别在电路仿真研究过程中，将巴伦设计方法应用到新型调制模块，实现了端口匹配和良好的幅相不平衡。

4 结论

文章针对现有QPSK调制模块中存在的幅相特性不理想，在装配过程中微波Lange桥压焊、槽线与金丝的搭接等工艺实现等问题，以及电装及调试环节模块电路的风险问题。从设计源头入手，通过大量的仿真验证研究工作，提出了一种新型星载调制模块的设计方法。本文章突出表现在两个方面：

1) 提出通过微带线来传输I路或Q路 的设计方法，代替现有调制模块由空间飞线的方式进行传输数据，解决了装配困难、节约人力物力成本、给调制模块工程化的实现带来了极大的便利；提出1/4波长电桥替代lange桥的设计方法，避免了之前设计中Lange桥金丝压焊操作难度大、调试存在风险的问题。

2) 通过场与路的联合仿真，提出了微带到槽线，过渡实现的巴伦功能及调制功能的设计方法。该方法设计的调制模块电路具有良好的幅相特性。

文章成功解决了调制模块装配过程中出现的金带搭接、金带压焊困难以及调试工作量大问题。从设计、仿真、工艺、装配、调试多方面研究工作入手，提出了一种新型星载QPSK调制模块的设计方法，该新型设计方法已广泛应用于调制模块工程实践中，具有一定的应用前景。