一種小型化EHF頻段上變頻器的設計

歐雨

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州　510663）

一種小型化EHF頻段上變頻器的設計

歐雨

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州510663）

0　引言

通過長期不懈的努力，目前我軍的衛(wèi)星通信地面站已經(jīng)覆蓋了UHF、C、Ku、Ka等頻段，并實現(xiàn)了部分裝備的國產(chǎn)化。EHF衛(wèi)星通信作為我國新開發(fā)的軍事衛(wèi)星通信頻譜資源，具有通信容量大、抗干擾能力和抗截獲能力強、生存力高等優(yōu)點。

國外EHF頻段衛(wèi)星通信的研制起步較早。1994年美國便發(fā)射了第一顆軍事中繼星（Milstar）。Milstar系統(tǒng)應用于對戰(zhàn)略和戰(zhàn)術部隊進行指揮控制，并對來自間諜衛(wèi)星及其他信息源的情報進行中繼，以便在所有級別的沖突中（包括全面大戰(zhàn)）提供一個全球性、高生存力、抗干擾、保密的極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)。目前美國的Milstar已經(jīng)發(fā)展到第三代。除美國之外，英國和北約組織也擁有帶EHF轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星。

由于EHF頻段主要應用于軍事衛(wèi)星通信，有關其地球站射頻設備的詳細公開的報導很少?？梢源_認的是射頻設備的工作原理、組成方案以及關鍵指標和其他頻段地球站射頻設備并無實質(zhì)性差異。

我國衛(wèi)星通信地球站射頻設備技術的研究起步較晚，自主研發(fā)Ku以上頻段射頻收發(fā)信機則更晚。2009年廣州海格通信集團股份有限公司成功研制了Ku和Ka頻段射頻收發(fā)信機，如圖1左圖所示。同年開發(fā)出Ka頻段大功率發(fā)射機，如圖1右圖所示。這些設備將在我國第二代軍事通信衛(wèi)星地球站中獲得廣泛的應用。

圖1　Ka頻段收發(fā)信機（左圖）、發(fā)射機（右圖）

EHF頻段上變頻器是EHF頻段發(fā)射機的重要組成部分，其主要功能是將外加中頻信號與頻率合成器產(chǎn)生的本振信號進行上變頻至EHF頻段射頻信號，并進行濾波和驅(qū)動放大輸出。輸出信號送至功放模塊進行功率放大后饋入天線發(fā)射。

1　上變頻器的設計目標與實現(xiàn)方案

1.1設計目標

本設計的目標是實現(xiàn)一種通用的EHF頻段上變頻模塊，可配合不同發(fā)射功率的功放模塊實現(xiàn)用戶可定制發(fā)射功率的發(fā)射機。根據(jù)發(fā)射機整機指標分配，該上變頻模塊的的電器指標為：

中頻輸入頻率：2.6GHz～4.6GHz；

射頻輸出頻率：41GHz～43GHz；

頻譜特性：不倒置；

雜散輸出：≤-63dBc（帶外）；

輸出功率：≥10dBm

變頻增益：≥-5dB

輸出結(jié)構：BJ400波導

1.2實現(xiàn)方案

（1）總體方案

本設計總體電路設計如圖2所示。

其增益和1dB壓縮點的鏈路計算如表1所示。

其中波導微帶轉(zhuǎn)換、波導濾波器與上變頻器腔體一體化設計，而微帶線，微波集成電路用導電銀漿直接粘接在上變頻器腔體上，再用金絲鍵合工藝相互連接。從而實現(xiàn)上變頻器的一體化，小型化設計。

（2）混頻器設計選型

本設備采取一次變頻方案。對于上變頻混頻，我們可以通過加法或減法兩種方法實從中頻信號到射頻信號現(xiàn)頻譜搬移：

加法：fIF+fLO=fRF，此時的頻譜特性是不倒置的，即輸入頻率越高，輸出頻率越高。

減法：fLO-fIF=fRF，此時的頻譜特性是倒置的，即輸入頻率越高，輸出頻率越高。

根據(jù)設計要求，頻譜特性是為不倒置，故采用加法，fLO=fRF-fIF=41GHz-2.6GHz=38.4GHz。

該本振頻率較高，從而造成產(chǎn)生本振信號的頻率合成器實現(xiàn)起來較為復雜。為降低頻率合成器設計難度，決定選用分諧波混頻器，經(jīng)過器件選型，最后決定選用Hittite公司生產(chǎn)的HMC1093四次諧波分諧波混頻器，該設計只需輸入理論本振頻率的1/4頻率，即9.6GHz。

根據(jù)器件資料，HMC1093在工作頻段的變頻損耗最大為13dB，1dB壓縮點輸入功率為18dBm，1dB壓縮點輸出功率≥4dBm。另外，該芯片推薦本振信號輸入功率為-1dBm±4dB。

（3）驅(qū)動放大器選型

由于方案選用了插損較小波導濾波器，若選用合適的驅(qū)動放大器，只需要選用指標合適的驅(qū)動放大器，就可以只用一個驅(qū)動放大器即可實現(xiàn)指標要求。從而降低了了設計復雜度和成本。

由于EHF頻段射頻芯片面臨對華限運、貨期不穩(wěn)定等問題，在滿足指標要求前提下，綜合貨期、成本、進貨渠道等因素，選用Triquint公司生產(chǎn)的TGA4521，根據(jù)器件資料，TGA4521在工作頻段的增益為16dB，1dB壓縮點輸出功率≥23dBm。

（4）匹配衰減器

根據(jù)器件資料，HMC1093在工作頻段內(nèi)輸出回波損耗最大為-6dB，而TGA4521在工作頻段內(nèi)輸入回波損耗最大為-3dB，由于回波損耗均較大，兩者之間直接匹配將存在阻抗失配的問題，為改善兩者之間的匹配，需要在之間加入一個匹配衰減器。比較各種該頻段衰減器指標，選定Hittite公司生產(chǎn)的HMC653，該芯片為3dB衰減器，輸入、輸出回波損耗為-22.1dB。

圖2　EHF頻段上變頻器電路圖

表1　鏈路計算表

（5）波導濾波器設計

根據(jù)各器件資料，該設計的主要雜散為HMC1093產(chǎn)生的4LO雜散信號，頻率為 38.4GHz。根據(jù)HMC1093器件資料，4LO雜散到射頻輸出端隔離度為15dB，按推薦本振信號輸入功率為-1dBm，此時4LO雜散信號在在射頻輸出端的輸出功率為-1dBm-15dB=-16dBm，在HMC1093以1dB壓縮點輸出功率4dBm發(fā)射時，雜散抑制為-16dBm-4dBm=-20dBc。故如需要滿足上變頻器雜散≤-60dBc的指標，需雜散對38.4GHz的信號抑制至少-60dBc-（-20dBc）=-40dB?？紤]必要的設計余量，對濾波器提出的指標要求是：

通帶：40.9GHz～43.1GHz

通帶插損：≥-1dBm

抑制：≤-45dB@38.4GHz。

波導濾波器是利用波導傳輸線和波導阻抗變換結(jié)構構成的調(diào)諧結(jié)構組成的濾波器，波導濾波器具有插損低、抑制高、溫度特性好、加工難度低、成本低等優(yōu)點，在毫米波頻段，波導濾波器結(jié)構也較小。

最常見的波導濾波器實現(xiàn)形式是采用串聯(lián)耦合諧振器帶通濾波器結(jié)構（圖3所示），以半波長波導段做為串聯(lián)諧振器，以單邊插入膜片、雙邊插入膜片或打入銷釘?shù)刃问皆诓▽?nèi)加入不連續(xù)性（圖4所示），實現(xiàn)并聯(lián)電抗結(jié)構作為諧振器間的耦合結(jié)構，從而實現(xiàn)濾波器器結(jié)構。

圖3　串聯(lián)耦合諧振器帶通濾波器

圖4　波導膜片不連續(xù)性及其等效電路

波導濾波器仿真軟件通常用到高頻電磁仿真軟件如HFSS等，HFSS的原理是采用有限元法對波導結(jié)構進行3D電磁計算，該算法結(jié)果較為準確，但計算量較大，如對模型進行優(yōu)化，程序運行時間較長。

μWave Wizard是一款偽3D仿真設計軟件，其原理是通過理論計算各波導結(jié)構的S參數(shù)數(shù)據(jù)，然后按照電路計算的方法來得到整個電路的S參數(shù)，但該軟件準確度較HFSS差?？梢朐撥浖M行輔助設計，在用HFSS對設計進行修正。

具體采用的設計步驟是：

（1）使用μWave Wizard的濾波器設計工具，按設計要求填寫濾波器參數(shù)，并選則適當?shù)哪て愋?，程序會自動計算滿足要求的濾波器設計。

（2）按照該結(jié)果在HFSS上進行建模和仿真，得到的濾波器通帶中心頻率一般與期望結(jié)果有所差異。

（3）根據(jù)差異調(diào)整μWave Wizard濾波器設計工具中的頻率參數(shù)，重復步驟（1）、（2）直至HFSS仿真得到期望的濾波器響應曲線。

圖5為生成最終設計結(jié)果μWave Wizard濾波器設計工具參數(shù)設置，圖6為μWave Wizard對最終設計波導濾波器計算的濾波器響應曲線。

圖5　濾波器設計工具參數(shù)設置

圖6　μWave Wizard計算結(jié)果

圖7為按μWave Wizard設計的波導濾波器在HFSS上3D建模模型，圖8為HFSS對該濾波器模型仿真結(jié)果。

圖7　波導濾波器HFSS模型

圖8　HFSS對波導濾波器仿真結(jié)果

對比圖6和圖8結(jié)果可見，更接近實際的HFSS仿真結(jié)果與μWave Wizard理論計算結(jié)果相比，濾波器通帶中心頻率更高，但任然可以得到較為理想濾波器響應曲線，故用μWave Wizard指導波導濾波器設計可行。由于μWave Wizard濾波器設計工具運算速度較快，用以輔助波導濾波器設計可大大提高波導濾波器設計效率。

（6）波導微帶轉(zhuǎn)換設計

在毫米波頻段，主要的傳輸線有波導和平面?zhèn)鬏斁€（以微帶線最為常用），如何實現(xiàn)低損耗的波導與微帶線的轉(zhuǎn)換對于毫米波設備性能非常重要。由于結(jié)構的限制，本設計采用了絕緣子作為探針的波導-同軸-微帶結(jié)構進行轉(zhuǎn)換。圖9為對波導-同軸探針結(jié)構在HFSS上進行3D建模設計。其仿真結(jié)果如圖10所示。

由仿真結(jié)果可見，該設計插損＜0.05dB，回波損耗＞25dB。

為盡量降低同軸部分的插損，該設計選用的是玻璃絕緣子。玻璃絕緣子使用鋼化玻璃作為介質(zhì)。與瓷介質(zhì)絕緣子相比，玻璃絕緣子具有截止頻率高，高頻信號損耗小，機械強度高，電氣性能穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點。圖

11為焊裝于結(jié)構件上的玻璃絕緣子。

圖9　波導-同軸探針結(jié)構HFSS模型

圖10　波導-同軸探針結(jié)構仿真結(jié)果

圖11　玻璃絕緣子

2　結(jié)語

根據(jù)本方案設計的EHF頻段上變頻器，性能指標全面滿足要求，可通用于不同輸出功率的EHF頻段發(fā)射機上。EHF頻段上變頻器是EHF頻段發(fā)射機、EHF頻段衛(wèi)通通信地球站設備的重要組成部分，其研制成功對于為EHF頻段軍事衛(wèi)星通信應用，和下一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研制奠定基礎。

［1］陳邦媛.射頻通信電路.北京：科學出版社，2002.

［2］Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.射頻電路設計——理論與應用.王子宇，張肇儀，徐承和等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［3］胡麗格，賈世旺，牛旭.Ku頻段上變頻器的設計與實現(xiàn)［J］.無線電工程，2009，6：46-48.

［4］賈世旺.EHF頻段衛(wèi)星通信上行鏈路關鍵技術研究：工程碩士學位論文.成都：電子科技大學，2012.

［5］王曉會.Ku波段波導廣義切比雪夫濾波器研制：碩士論文.成都：電子科技大學，2009.

［6］宋志東，張國強，崔敏.一種Ka波段寬帶波導-微帶轉(zhuǎn)換器的研制.火控雷達技術，2014，04：42-44.

Satellite Communication；EHF-Band；Up-Converter；Spurious；Waveguide

Design of a Kind of Minitype EHF-Band Up-Converter

OU Yu
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663）

1007-1423（2015）22-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.22.017

歐雨（1983-），男，四川自貢人，碩士，助理工程師，研究方向為衛(wèi)星通信、微波毫米波電路等

2015-07-07

2015-07-28

闡述一種EHF頻段衛(wèi)星通信上變頻器的實現(xiàn)方案，采用一次變頻方案將中頻信號上變頻至EHF頻段射頻信號。采用波導濾波器、微帶-波導轉(zhuǎn)換與平面電路部分一體化設計方案，實現(xiàn)了該模塊的小型化。該設計方法能夠廣泛應用于衛(wèi)星通信地球站的上行鏈路。

衛(wèi)星通信；EHF頻段；上變頻器；波導

Describes a achievement to design a kind of minitype EHF-band up-converter，which converts S-band IF signal to EHF-band RF signal by once frequency conversion.The waveguild filter is ingrated into the structure of the Up-converter as well as the waveguide-to-microstrip transition and planar circuit.The design method can be used in up-link of satellite communications.