毫米波上变频模块的仿真与设计

雷兴旺　原庆　尹华

摘  要：针对相控阵雷达射频前端系统中变频模块设计周期长，杂散无法提前预估的特点，采用了一种基于ADS软件仿真的方法进行先行计算。并在软件仿真基础上，进行了滤波器的设计，对特定的杂散点进行分析抑制，以便达到系统的整体性能要求。该方法可以对不同频段的上变频模块杂散进行计算仿真，提前预估杂散，对滤波器性能进行特定的设计，避免设计中的反复修改。且可在仿真链路中加入放大器等器件，计算模块增益等指标。节约了成本，缩短了项目周期。

关键词：上变频模块;混频器;滤波器;ADS仿真

中图分类号：TN773      文獻标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）05-0042-04

Simulation and Design of Millimeter Wave Up-Conversion Module

LEI Xingwang，YUAN Qing，YIN Hua

（Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing  210016，China）

Abstract：In view of the characteristics of long design cycle of frequency conversion module in RF front-end system of phased array radar and the unpredictability of stray，a method based on ADS software simulation is adopted for the first calculation. On the basis of software simulation，the design of the filter is carried out，and the specific spurious points are analyzed and suppressed，so as to achieve the overall performance of the system. This method can be used to simulate the stray of up-conversion module in different frequency bands，estimate the stray in advance，and design the performance of the filter in order to avoid repeated modification. In addition，amplifiers and other devices can be added into the simulation link to calculate module gain and other indicators. And save cost and shorten project cycle.

Keywords：up-conversion module;mixer;filter;simulation of ADS

0  引  言

变频模块作为相控阵雷达中的重要器件，其性能指标直接影响雷达的整体性能。但是由于变频模块种类多，频率、增益、输出功率、杂散等性能指标不同，导致设计不同种类的指标性能满足整体需求的模块所需的周期较长。因此，探索一种通用的变频模块的设计方法，实现不同类型变频模块的快速设计非常有必要[1]。

本文针对实际工作中的遇到的一种变频模块，通过采用安捷伦公司的ADS软件仿真的方法逐步分析了模块中出现的杂散[2-4]，并将设计的指标要求与杂散进行对比，对滤波器的带外抑制进行有针对性的设计。所设计的滤波器使用矢量网络分析仪进行测试，将S参数导入仿真链路中，可以看出链路杂散值，缩短了设计时间，节约了设计成本。

1  上变频模块的原理及分析设计

1.1  设计原理框图

毫米波上变频模块主要包含：混频器、中频滤波器、射频滤波器、放大器、本振滤波器、倍频放大器，以及电源调制等部分[5]。首先将C波段中频信号与经过倍频放大的本振信号通过混频器混频出需要的射频信号，通过射频滤波器滤除相应的带内带外的杂散信号，并且放大器将变频之后的射频信号放大，达到所需的信号幅度功率。毫米波上变频模块整体的射频链路如图1所示。

上变频模块频率分布：中频（IF）信号：6～8 GHz;本振（LO）信号：14 GHz;射频（RF）输出信号：34～36 GHz;杂散要求：带内≥60 dBc（34～36 GHz），带外≥35 dBc（20～34 GHz & 36～50 GHz）。

倍频器采用Hittite公司生产的HMC578A芯片，此芯片兼有倍频以及放大器功能，可以将倍频信号进行放大，达到混频器对本振输入功率的要求，节省一级本振放大器，节约成本。且采用裸片的形式，节省模块的空间，缩小模块尺寸，便于小型化设计。

混频器采用国产的无源双平衡混频器，LO和RF频率为19～40 GHz，中频IF频率范围为DC～20 GHz，变频损耗为9 dB，本振射频端口隔离度为30 dB。

1.2  上变频模块杂散分量分析

链路中采用了混频器对信号频率进行变换。混频器是一种具有三个端口的射频器件，为达到频率变换的目标，主要采用非线性器件，通常是采用二极管的非线性特性，从而进行功能设计。主要是通过将输入的两个信号进行相乘来实现。但是由于混频器本身的非线性，会产生种类繁多的谐波或输入频率的其他的频率分量[6]，如式所示：

f_RF=nf_LO+mf_IF

其中：n，m=0，±1，±2，±3，…;fLO为本振信号频率;fIF为中频输入信号频率;fRF为射频输出信号频率。

倍频器是在射频系统中被广泛使用的器件，主要功能是能够把需要的高频信号通过输入较低频率的信号通过二倍频、三倍频等倍频形式得到。倍频器属于两端口器件，主要利用器件的非线性产生的谐波，得到所需的信号频率。倍频器输入信号：Vicosωit，经过倍频器后，输出信号频率为：Vicosnωit，其中n为正整数。

上變频模块中本振信号经过倍频器后，使用本振频率的二倍频信号与中频信号混频。由于仿真软件的局限性，无法将信号的谐波设置为无穷多。且信号频率的幅度是谐波次数越高，幅度值越小，对系统的影响越小。因此对仿真参数中本振信号以及中频信号分别设置为三组参数：基波信号、二次谐波信号、三次谐波信号。采用ADS软件对混频器杂散分量进行仿真，仿真电路以及参数设置如图2所示，仿真结果如图3所示。

分析图3的仿真结果可以看出，中频信号ωIF=6.4 GHz时，在带内34.0～36.0 GHz存在杂散信号35.6 GHz，且此杂散信号主要是本振信号的谐波与中频信号在混频器中产生，计算公式为：f杂散=35.60=-1×fIF+3×fLO。混频器的本振信号是14.0 GHz的二倍频信号，因此可以在本振信号进入混频器之前增加本振滤波器，用以抑制28.0 GHz外的基波信号，以及三倍频、四倍频等干扰的谐波信号。通过分析混频器中产生的杂散信号，对本振滤波器提出要求，主要抑制本振信号的三倍频，这样就可以对仿真结果中的杂散信号进行抑制。

将设计好的本振滤波器使用安捷伦公司的矢量网络分析仪进行探针测试。测试的S参数导入ADS软件，并将其制作成元器件，加入图2的本振链路中，仿真结果如图4所示。

通过分析仿真结果可以看出，增加的本振滤波器可以对带内杂散进行有效的抑制，但是对其他的与倍频无关的杂散信号没有起到抑制作用。

无源双平衡混频器对本振信号输入功率要求为10～ 13 dBm。本振（LO）到射频（RF）端口隔离度为30 dB。因RF端口的由LO端口泄漏过来的本振信号幅度值相对于射频信号也比较大，与射频信号幅度值基本相当。分析仿真结果也可以看出，带外杂散中本振泄漏信号较大，需对其进行抑制。考虑到模块的使用要求，射频滤波器的设计主要是需对本振信号进行抑制。综合考虑带外杂散要求，设计射频滤波器。并将射频滤波器的S2P文件导入，测试结果如图5所示。

将测试的射频滤波器S参数制作成元器件，加入射频链路中，仿真电路以及参数设置如如图6所示。

链路仿真结果如图7所示。

通过仿真结果可以看出，通过增加本振滤波器、射频滤波器可以对带内带外杂散进行有效的抑制，达到模块的要求。

前面分析了链路中出现的杂散信号，滤波器、混频器等都属于无源器件，对信号都有一定的衰减。考虑到变频模块还需要对输入的中频信号有一定的放大，以便输出射频信号有一定的功率，满足模块后续的使用。根据变频模块原理框图，结合指标要求，在射频RF链路中加入合适的放大器，以满足整个链路的增益、输出功率要求。

2  毫米波上变频模块的实现

结合前面的分析仿真，并且充分考虑到模块的机加件尺寸以及元器件的合理布局，最终上变频模块实物如图8所示。经过频谱仪测试模块杂散，其性能指标可满足指标要求。

3  结  论

本文详细介绍了毫米波上变频模块的仿真与设计，将链路设计原理进行分析研究后，着重介绍了对倍频器、混频器的杂散的软件仿真分析方法，并通过逐步增加滤波器的方法对带内带外杂散进行了有效的抑制。最终依据仿真分析制作了模块实物，已实现了后续的生产。

针对后续类似的不同频段以及增益、功率的上变频模块的杂散及其抑制可采用本文的仿真分析方法，节约单独测试混频器的杂散的方法，提高设计效率。

参考文献：

[1] 喻梦霞，李桂萍.微波固态电路 [M].成都：电子科技大学出版社，2008.

[2] 甄可龙，唐云菲，吕善伟.基于ADS的毫米波收发组件设计及仿真 [J].计算机与网络，2014，40（14）：69-72.

[3] 周春梅.浅谈微波混频器的测试 [J].通讯世界，2016（19）：265.

[4] 吴伟，谭辉.混频器行为级建模及仿真 [J].中国水运（下半月），2016，16（4）：93-95.

[5] 陈华君，杨涛.基于混频器的变频通道设计 [J].电子元器件应用，2012，14（2）：20-22+29.

[6] DAVID M.Pozar.微波工程：第3版 [M].张肇仪，周乐柱，吴德明，译，北京：电子工业出版社，2015.

作者简介：雷兴旺（1988.02-），男，汉族，山西平遥人，工程师，硕士，研究方向：变频收发组件设计。