一种小型化的K波段下变频器设计

孙书良

(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

K波段信号频率覆盖18～26.5 GHz，频率较高。随着单片集成电路的发展，一次变频能够进行下变频[1]处理，但因为中频频率较低，无法进行镜像频率抑制，会影响接收信号的信噪比，所以目前设备往往采用2次变频处理。由于设备相对复杂，相关设备供应厂家通常采用1U机箱形式，设备形态较大，不利于设备集成。

星间测控链路采用收发同频分时体制，射频频率约为22.587 GHz，中频信号频率要求为70 MHz。整个K波段下变频器采用PXI板卡结构，占用1个槽位，对下变频器尺寸及性能提出了很高的要求。

通过对PXI板卡结构分析，针对性的仿真设计镜像抑制滤波器，设计应用低噪声锁相环(PLL)，合理结构布局，确保设备可以实现。

1 K波段下变频的整体设计

K波段下变频采用2次变频设计，本振均为低本振。下变频器的整体设计框图如图1所示。

图1 K波段下变频器整体设计框图Fig.1 Overall design diagram of K-band down converter

图1中射频输入频率为22.587 GHz，信号首先经过第一级低噪声放大器后进入镜像抑制滤波器，然后再经过增益放大后进入第一级混频器。第一级混频器选用无源混频器HMC292LC3B(AD)，该器件RF频率14～30 GHz，IF频率：DC-8 GHz，LO频率：14～30 GHz，LO驱动电平：9～15 dBm。RF低噪声放大器与增益放大器选用HMC517LC4(AD)，频率覆盖17～26 GHz，增益：19 dB，噪声系数：2.5 dB，满足设计要求。K波段低噪声放大器设计要小型化[2-4]，严格按照毫米波设计规则，腔体高度不能太高，但是要留有安装吸波材料的空间，实践证明2级K波段LNA(MMIC)串联后，会存在自激现象，盖板加贴吸波材料能够完美解决该问题，降低设计难度。一中频放大器选用PMA3-83LN+(MINI)，频率覆盖0.5～8.0 GHz，噪声系数：1.3 dB，增益20 dB，P-1：17 dBm，具有较低的噪声系数，较高的增益，较大的1 dB压缩点输出功率，同时射频带宽较宽，非常适合一中频增益放大使用。一中频滤波器选用介质滤波器，这类滤波器体积小，Q值较LC与声表面波滤波器高，具有良好的传输特性，群时延特性稳定。考虑到卫星通信中测距稳定性要求，选用滤波器要选用群时延特性温度稳定性较好的。第二级变频混频器选用SYM-63LH+(MINI)，该器件射频与本振频率覆1～6 000 MHz，IF频率：DC-1 000 MHz，LO电平：10 dBm，具备良好的本振射频隔离度与本振中频隔离度，同时频率范围较宽，适合灵活配置。70 MHz中频放大器选用RAM-8A+(MINI)，频率覆盖DC-1 GHz，增益：31.5 dB，P-1：12.6 dBm，满足使用要求。

频率配置[5]为：一本振频率：18 GHz，一中频频率：4.587 GHz，二本振频率：4.517 GHz，中频频率70 MHz。

2 镜像抑制滤波器设计

镜像抑制滤波器中心频率为22.587 GHz，频率高、波长短、环境温度影响大。本文设计一款温度稳定性好的高Q滤波器[6]，腔体滤波器满足该要求。K波段腔体滤波器设计指标如下：

① 中心频率：22.587 84 GHz；

② 带宽：200 MHz；

③ 对f0±1 GHz信号抑制：≥80 dB；

④ 驻波：≤1.5∶1；

⑤ 插损：≤3 dB。

根据以上技术指标，通过Ansoft Designer计算确定滤波器设计参数[7-11]如下：

① 滤波器谐振杆数：5；

② Q值：2 600；

③ 耦合系数：

M1，2= 0.011 492 857 51，

M2，3= 0.008 443 308 749，

M3，4= 0.008 443 308 749，

M4，5= 0.011 492 857 51，

External Q：73.27；

④ 回波损耗：20 dB。

2.1 HFSS建模对各参数进行仿真

2.1.1 谐振频率、Q值与耦合系数仿真

在HFSS软件中建立谐振腔模型和耦合系数仿真模型如图2所示。

通过谐振腔仿真模型确定谐振腔尺寸如下：

① 谐振腔长：6.5 mm；

② 谐振腔宽：6.5 mm；

③ 谐振腔高：4 mm；

④ 调谐螺杆直径：1.6 mm；

⑤ 调谐螺杆下沉深度：1.95 mm。

通过仿真得出以下结果：

① 谐振频率：22.210 9 GHz；

② Q值：3 078.52

由以上仿真结果可以看出，该设计满足指标要求，频率偏差通过调谐螺杆进行调节[12-14]。设置槽长：2.4 mm，槽宽3～4 mm，步进0.5 mm进行方向系数扫描， 耦合系数仿真结果如图3所示。

图3 耦合系数仿真结果Fig.3 Simulation results of coupling coefficient

由以上仿真结果确定腔1与腔2之间槽宽3.8 mm，腔2与腔3之间的槽宽3.5 mm，频率调谐螺杆下沉1.93 mm，耦合度调节螺杆下沉2 mm。

2.1.2 External Q值仿真

External Q 值仿真模型如图4所示。

图4 External Q值仿真模型Fig.4 Simulation mode of External Q value

GD11=4*Q(External Q)/(2*3.141 5*F0(GHz))

设置抽头长度ZL为变量，从0.9～1.5 mm进行参数扫描，步进0.2 mm，得到的仿真结果如图5所示。由图5可以得出ZL初值取1 mm。

图5 External Q值仿真结果Fig.5 Simulation results of External Q value

2.2 滤波器加工与实测结果

通过以上计算，形成滤波器的尺寸为48 mm×14.5 mm×7 mm，接头采用玻珠形式，既可以在板卡内部与其他电路焊接集成又方便调试与测试。K波段镜频抑制腔体滤波器实物如图6所示。实测结果如图7所示。

图6 实物Fig.6 Picture of the device

图7 实测结果Fig.7 Test results

由图7可以看出，该滤波器满足工程使用。

3 本振设计

本振源是下变频的核心功能模块，该模块通过输入的统一的系统时钟10 MHz，自主产生变频所需要的一本振频率信号18 GHz以及二本振4.517 GHz。随着RFIC的发展，集成VCO的PLL[6]是目前业界应用的首选，这种集成锁相芯片频率范围高、相位噪声低、使用方便、调节灵活。LMX2595是TI公司推出的一款锁相芯片，频率覆盖10 MHz～19 GHz，满足以上一二本振频率要求。在18 GHz该器件的相位噪声特性如图8所示。

图8 18 GHz相位噪声特性曲线Fig.8 Characteristic curve of 18 GHz phase noise

18 GHz本振频率采用双环锁相环路设计，系统时钟10 MHz首先经过100 MHz的锁相晶振进行锁相，产生100 MHz的锁相信号，该100 MHz的信号作为LMX2595的时钟信号输入，鉴相频率采用200 MHz(LMX2595寄存器配置)以降低分频比。从而改善远端100 kHz以上的相位噪声。

变频器的相位噪声[15-17]是由本振相位噪声决定的，二本振频率远低于一本振，二本振的相位噪声优于一本振15 dB以上，所以整机K波段下变频器的相位噪声取决于一本振18 GHz。

本振采用模块化设计，设计单独的本振模块尺寸为36 mm×29 mm×6 mm。

4 结构布局

K波段板卡式下变频器的布局如图9所示。

图9 K波段板卡式下变频器布局Fig.9 Layout of K-band board card down converter

由图9可以看出，一本振、二本振、镜像抑制腔体滤波器及一混频均采用模块化设计，可以在上变频器中复用，有利于保障设备性能指标，而且便于调试。其他的时频锁相及分路及二次变频滤波放大等电路均在空白处母板上一体化设计。

5 结束语

PXI结构的3U尺寸一个槽位的板卡尺寸为160 mm×100 mm×20 mm，通过合理的布局能够将K波段下变频器整机完美实现，该设计具备小型化、通用化及模块化等特点，较以往基于脉冲取样锁相环路具备良好的温度稳定性，体积小，易于集成。通过自主设计高性能的K波段腔体滤波器，对通信系统信号质量有良好的控制，具有良好的工程价值。