EHF频段集成上变频器研制*

张能波

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引 言

目前，卫星通信的频率主要集中在C、Ku、Ka几个大气衰减较小的频带内，但是随着卫星通信技术的发展，卫星的轨道和频谱越来越拥挤。相比其他频段，极高频(Extremely High Frequency，EHF)频段[1-2]具有频段宽、容量大、传输速率快、抗干扰能力强等优点，将会是下一代卫星通信的优选频段。

国外对EHF频段设备的研制较早。1994年，美国就有了Milstar系统，目前已经发展到了第三代。英国也拥有EHF频段的Skynet系统。国外文献研究大多集中在EHF频段的接收、发射系统以及变频芯片上。文献[3]报道了一种采用GaAS工艺的EHF频段谐波混频芯片的研制，工作频率43.5～50 GHz，本振抑制度大于25 dB，变频损耗小于12 dB。

我国卫星通信设备技术研究较晚，目前军事通信卫星地面站只覆盖了C、Ku、Ka频段，EHF频段的卫星通信还处于起步阶段。EHF频段的变频器文献报道较少，目前大多集中在Ka频段及以下。文献[4]报道了一种EHF频段上变频器的研制，采用三次变频方案，杂波抑制小于-55 dBc，输出功率大于16 dBm。这种多次变频方案结构比较复杂，体积较大。

因此，EHF频段上变频器[5]作为EHF发射系统的关键设备，有必要开展研究，为EHF频段的卫星通信打下坚实基础。本文采用新颖的谐波混频结合宽带匹配滤波电路设计技术，具有结构简单、混频杂散分量较少、变频损耗与基波混频相当，本振源制作难度低等优点，有效解决了低中频下的杂散抑制问题；采用平行耦合滤波器对混频杂波分量进行滤除，结构简单，稳定性好，寄生通带高，便于与模块微带集成电路集成，实现上变频电路的一体化设计。

1 总体方案设计

本文设计的EHF频段的上变频器应用于20 W的EHF频段发射机系统中。根据整机的指标要求，上变频器的指标要求如表1所示。

表1 上变频模块技术指标

从指标要求看，上变频的输入中频较低，2LO+2IF离带内较近，无法用滤波器滤除，同时虚本振离带内也较近，需要混频器本身对虚本振和2LO+2IF抑制较高，还需要滤波器对虚本振有足够的抑制；而带外杂散要求60 dB，传统的基波或者谐波混频芯片的虚本振抑制和2LO+2IF的抑制不能满足要求，这是本项目的难点。本文根据指标要求，设计了一款新型的谐波混频器和易于集成的微带滤波器，完美解决了杂散抑制的难题，同时模块集成了衰减控制、混频、滤波、放大等功能，实现了模块的一体化、集成化设计，其电路组成框图如图1所示。

图1 上变频模块电路组成框图

根据设计指标功率、增益和杂散的要求，上变频模块主要组成部分包括本振匹配滤波网络、中频放大及匹配滤波网络、混频器、射频匹配滤波网络、驱动放大器、末级放大器等，所有电路采用微波集成电路设计，实现一体化、集成化的设计。

2 关键电路设计

2.1 谐波混频器设计

混频器是整个模块的关键电路。混频器通常使用GaAs肖特基势垒二极管，其具有结构简单、工作稳定、频带较宽，截止频率比较高等特点。通过采用反向并联二极管对(Anti-Paralleled Diodes Pair,APDP)来实现偶次谐波混频[6-9]，其电路原理如图2所示。

图2 偶次谐波混频器原理图

根据二极管的伏安特性曲线，当二极管外加电压远大于热电压时，反向并联二极管对的内部电流i1、i2和管对外部电流ic分别近似为

i1=g(vLO+vRF)=∑Amn(vLO)m(vRF)n,

(1)

i2=g(-vLO-vRF)=

∑Amn(-vLO)m(-vRF)n=

∑Amn(-1)m+n(vLO)m(vRF)n,

(2)

ic=i1-i2=

(3)

式中：函数i=g(v)为单个肖特基势垒二极管的伏安特性函数，m、n取任意整数，VLO、VRF分别为二极管上的本振和射频电压分量。由式(1)～(3)可知，当|m|+|n|为偶数时，肖特基势垒二极管对的外部电流ic=0；当|m|+|n|为奇数时，外部电流ic含有本振和射频信号的频谱组合分量，即ω=mωRF±nωLO。由于APDP的反对称V-I特性，并且其制作工艺保证了两只二极管特性的精确匹配，谐波混频器[10-11]可以实现混频分量中偶次组合波(包括本振和中频偶次谐波)的良好抑制，一般可达40 dB以上，在EHF频段典型变频损耗为10～12 dB，略大于基波混频器。同时，本振频率大约只有射频信号频率的一半，本振和射频信号隔离度高，可以降低本振源的制作难度。

本振信号通过SMA(Subminiature version A)接头馈入，经过滤波网络和宽带匹配电路进入二极管对；中频信号通过滤波网络和宽带匹配电路进入二极管对；射频信号经过二极管对产生之后通过高通滤波网络和宽带匹配电路输出。混频器的整体仿真模型如图3所示。

图3 偶次谐波混频器仿真模型

介质基片选用较低介电常数RT/Duriod5880，介电常数为2.2，基片厚度为0.127 mm，金属厚度为0.018 mm。在高频场仿真软件HFSS中建立中频匹配滤波网络、射频匹配滤波网络、本振匹配滤波网络等模型，仿真后将得到的S参数导入到谐波平衡仿真软件ADS中，利用谐波平衡法对整个电路进行仿真，中频频率为0.95 GHz，本振频为21.475 GHz，本振功率为10 dBm，仿真结果如图4和图5所示。

图4 偶次谐波混频器变频损耗仿真结果

图5 偶次谐波混频器输出频谱仿真结果

从仿真结果可以看出，偶次谐波混频器在43.9～44.5GHz的范围内插入损耗小于7.5 dB，带内波动小于1 dB。输出频谱分量中混频器对2LO+2IF抑制约64 dB，虚本振的抑制约40 dB。表2为国内和国外典型的谐波变频芯片数据，可以看出，国内中国电科十三所的芯片虚本振抑制约为30 dB，2LO+2IF抑制约48 dB；国外HMC338的虚本振抑制约19 dB，2LO+2IF抑制约55 dB；本文的谐波混频器指标在虚本振抑制和中频偶次分量抑制上均优于国内外变频芯片数据，有效解决了低中频导致的杂散问题。

表2 国内外谐波混频芯片测试数据对比

2.2 射频滤波器设计

从图5的仿真结果可以看出，混频器产生的最靠近射频通带的组合波为2×fLO+2×fIF=44.85 GHz和2×fLO=42.95 GHz。其中，44.85 GHz离工作频带350 MHz，滤波器无法滤除，谐波混频器自身抑制约65 dB，可以满足设计要求；42.95 GHz理论上谐波混频器抑制为50 dB，经仿真约为-40 dBc，这需要滤波器在该点的抑制达到20 dB以上，而42.95 GHz离工作频带的下边带只有900 MHz，加大了滤波器的设计难度，通常离边带比较近的杂波采用高Q值的波导滤波器滤除，但是波导滤波器体积大，不便于实现上变频模块的集成化和小型化设计，因此，本文拟采用传统的微带平行耦合滤波器实现。

平行耦合滤波器因其成本低、结构简单、稳定性好、寄生通带高等优点而被广泛采用，同时易于集成，便于上变频模块的一体化设计。

综合尺寸和所考虑频率处的衰减选用滤波器为3级5阶，根据设计公式设定各阶的尺寸，选用厚度为0.254 mm、介电常数为9.6的陶瓷基片，在HFSS中建立滤波器的模型，仿真结果如图6所示。

(a)滤波器HFSS仿真模型

从仿真结果可以看出，滤波器对虚本振抑制约为40 dB，镜频抑制约为30 dB。电路采用两级滤波器级联，杂散指标满足设计要求。

2.3 上变频链路设计

根据变频模块的技术指标，上变频器模块包含温补、衰减、混频、滤波、放大等多个环节，如图7所示。

图7 上变频器模块链路框图

中频电路包括输入π型衰减，用于改善输入驻波和调整整机增益，数控衰减实现整机的衰减控制功能，温补衰减器用于补偿放大器的高低温增益波动。射频电路包括温补衰减器、射频滤波器、均衡器、驱动放大器、末级放大器。温补衰减器主要用于改善功放芯片的高低温增益波动，射频滤波器主要滤除本振泄露和混频器的高阶杂散分量。均衡器是根据其他器件的幅频响应曲线用于补偿整个链路的幅频响应特性，驱动放大器是根据链路增益要求提供合适增益，器件尽量选用单调一致的幅频响应曲线，最终选用Hittite公司的HMC1016，在所需频段能够提供大于20 dB的增益，1 dB压缩点输出功率大于等于23 dBm。考虑到链路采用了多级滤波器和温度补偿电路，采用了三级驱动放大电路来满足增益要求。末级放大器主要是满足模块的输出功率要求，选用了TriQuint公司的TGA4046。该芯片在工作频段内能提供大于17 dB的增益，1 dB压缩点输出功率大于等于32 dBm。混频器采用了新型的谐波混频结构，可以降低本振和中频偶次谐波分量，同时降低本振频率，减小了本振源的实现难度。

在模块结构和电路布局上，电路采用了分区布局，减小中频、本振、射频链路之间相互泄露串扰；结构上采用合适的电路约束腔，以减少空间的辐射干扰。

3 样机研制结果

整个上变频模块采用一体化设计，微带片和微波集成电路通过导电银浆粘接在腔体上，相互之间通过金丝键合互联。整个上变频模块尺寸为66 mm×64 mm×12 mm，质量0.12 kg，其实物照片如图8所示。

图8 上变频模块版图和实物图

模块调试完成后进行了指标测试，结果如表3所示。可以看出，上变频器的增益、杂散、输出功率等指标十分优良，与仿真和分析结果基本符合，完全满足设计指标的要求。表中列举了文献[4]的测试数据进行对比。文献[4]采用了多次上下变频方案来避免杂散问题，选用了变频芯片进行混频，这种经过多次变频、滤波的电路复杂度高、集成难度大，容易带来额外的杂散信号。从测试数据看，本文的谐波混频器各项指标均优于文献[4]的EHF变频器。

表3 上变频模块指标测试结果

4 结束语

本文以反向并联肖特基二极管对为非线性器件，完成了EHF频段偶次谐波混频器的设计；采用小型化平行耦合滤波器替代传统的波导滤波器，采用一体化设计完成了上变频器的研制。该上变频模块已成功应用于EHF频段的20 W发射机上。同时，EHF频段上变频器可以扩展应用到EHF频段其他输出功率的发射系统中，其成功研制将为我国EHF频段军事通信卫星系统的应用打下坚实的基础。但是，上变频器的杂散指标和仿真有偏差，同时模块的集成度上还没有达到最优，模块体积偏大。下一步将重点解决谐波混频器的优化和电路集成度的优化布局。