卫星Ka 全频段多中频变频信号处理技术研究

黎媛捷，张雷霆，王正峰，沈靖，安天琪

（上海卫星工程研究所，上海，200240）

0 引言

Ka 波段信号具有波束指向性强、信息容量高的特性，近些年广泛应用于卫星通讯系统中。但也由于Ka 信号使用范围广的特点，从传统的空对地方向（17.7～21.2GHz）到卫星星座通讯（25～33GHz）都有广泛的应用，给卫星地面测试系统带来极大的挑战。传统的Ka 变频器仅有3Ghz 变频带宽且输出中频信号固定，无法适应不同场景的测试，需要频繁更换变频器。这也导致变频器种类繁杂，研制周期极长，大大降低了型号研制进度；且随着一型卫星研制任务结束，此型卫星地面测试所使用变频器也面临封存的风险，造成了资源的极大浪费。因此亟需对Ka 全频段变频信号处理技术进行研究，设计一款Ka 全频段、多类中频信号的变频器。

1 总体方案设计

传统的变频器往往使用一次变频至中频信号，如图1所示，此种方案具有成本低、组合干扰少的特点。

图1 传统变频器变频原理示意图

图2 基于分频开关切换变频的原理图

但针对Ka 全波段、多中频的变频需求，由于单个滤波器无法消除镜频抑制等信号干扰，传统设计方案显得力不从心。但利用射频开关与滤波器组合就可很好实现对镜频抑制的消除。本方案通过电子开关选择六段信号分别滤波进入通道变频，2.4GHz、1.5GHz、和720MHz 中频经过两次变频，70MHz 中频经过三次变频，后经过放大、开关、滤波、变频变换后得到中频信号，中频可以通过电子开关选择四个中频带宽中的一种中频输出。

由于混频器的非线性，RF 和LO 信号进行混频后，除了产生需要的IF 信号，必然还会产生其他交调产物，如组合频率、本振谐波、镜频干扰和邻道干扰等。其中组合干扰频率计算如式1 所示：

其中，f∑为混频后输出组合信号（其中包括需要的中频频率和组合干扰），fRF为射频信号，fLO为为本振信号。m，n为谐波次数，m,n=0,1,2,...。对于窄带系统，可以通过合理的设计滤波器来滤除不需要的干扰。而对于宽带系统，由于信号带宽较宽，组合干扰容易落到中频带宽内，滤波器难以滤除。因而必须更加合理谨慎的设计变频方案，来避开各种交调产物的干扰。而多次变频方案中的信号环境更加复杂，因此需要使用EDA 软件进行仿真，优化参数设计。

2 镜频抑制设计

Ka 全频段变频信号处理方案最大的优势是使用前端射频开关与滤波器组分段方法来抑制镜频抑制，实现了单独使用滤波器难以达到的效果。经仿真，第一级射频开关滤波器抑制44dB，第二级开关滤波器抑制50dB，合计抑制大于95dB，满足镜频抑制大于80dB 的要求。图3 分别是18GHz～25GHz 射频滤波器抑制、25GHz～33GHz 射频滤波器抑制仿真图。

图3 静频抑制仿真图

3 杂散抑制与本振设计

由于Ka 通讯有着数据通量大的特点，频率偏移至中频后所需带宽也较大，例如1.5Ghz 中频模式下，所需数据带宽为 。因此设计中需着重考虑宽，其组合干扰式如下：

则变频中，高阶杂散不与中频信号产生交叠的必要条件应同时满足式(3)和(4)：

其中B 为信号带宽，fRFo为射频信号中心频点，fIFo为中频信号中心频点。

如下根据仿真结果使用了如表所示的变频方案，采用此方案杂散均小于-60dBc，图4 是2 次变频的杂散仿真图。

表1 各次混频后的接收通道杂散电平组合仿真结果

图4 杂散仿真图

根据上文的仿真思路，选择合适的器件搭建本振电路，如图5 所示。

图5 时钟及本振频率源设计

一本振信号由锁相环产生（12～19.5）GHz 的基频信号后二倍频产生，恒温晶振产生的100MHz 信号输入鉴相器后二分频产生50MHz 信号作为鉴相频率,鉴相器误差电压经运放构成的有源环路作用于调谐电压端,控制VCO 输出（12～19.5）GHz,步进为50MHz 的点频信号，后经无源二倍频器进行倍频，可以满足一本振输出频率（24～39）GHz 的要求。

二本振信号由锁相环3 产生的三个可变点频信号作为频标，频率为6420、7200、8100MHz；锁相环4 产生的频率范围250～350MHz，混频后经开关滤波产生。

三本振信号由锁相环锁定内部VCO 至2600MHz，片内输出4 分频产生650MHz 点频信号，经滤波放大产生。

4 相位噪声

本方案使用高本振方案，其相对于低本振方案杂散更好控制，由于本振带宽更宽、频率更高，相位噪声控制难度更高，因此对本振相位噪声进行仿真，优化器件选择，如表所示为三个本振在10Hz～1MHz 下的相位噪声，均满足要求。

表2 相位噪声仿真结果

设备完成搭建后，对实际相位噪声进行测试，经测量与仿真大致相符，二本振频标信号相噪仿真与实际测量曲线对比图如图6所示。

图6 二本振频标信号相噪仿真曲线与实际曲线对比

5 实际测试效果

基本指标测试结果如表3 所列。测试结果表明各项指标均满足卫星测试需求。

表3 变频器实测技术指标

6 结论

本文基于分频开关切换的变频信号处理方案，通过EDA仿真计算，设计了一种全频段、多中频的下变频器，利用三次变频与分频开关切换方案，可将Ka 全频段（18～33G）下变频至多类中频信号（70M/720M/1.5G/2.4GHz），可满足卫星各复杂场景测试需求。测试数据表明，此下变频器性能良好，目前该设备已应用到多个卫星型号测试系统中。