歐雨

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州　510663）

一種小型化EHF頻段上變頻器的設(shè)計(jì)

歐雨

（廣州海格通信集團(tuán)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(shí)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(qiáng)、生存力高等優(yōu)點(diǎn)。

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(yīng)用于對戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)進(jìn)行指揮控制，并對來自間諜衛(wèi)星及其他信息源的情報進(jìn)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(yīng)用于軍事衛(wèi)星通信，有關(guān)其地球站射頻設(shè)備的詳細(xì)公開的報導(dǎo)很少?？梢源_認(rèn)的是射頻設(shè)備的工作原理、組成方案以及關(guān)鍵指標(biāo)和其他頻段地球站射頻設(shè)備并無實(shí)質(zhì)性差異。

我國衛(wèi)星通信地球站射頻設(shè)備技術(shù)的研究起步較晚，自主研發(fā)Ku以上頻段射頻收發(fā)信機(jī)則更晚。2009年廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司成功研制了Ku和Ka頻段射頻收發(fā)信機(jī)，如圖1左圖所示。同年開發(fā)出Ka頻段大功率發(fā)射機(jī)，如圖1右圖所示。這些設(shè)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(yīng)用。

圖1　Ka頻段收發(fā)信機(jī)（左圖）、發(fā)射機(jī)（右圖）

EHF頻段上變頻器是EHF頻段發(fā)射機(jī)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(jìn)行上變頻至EHF頻段射頻信號，并進(jìn)行濾波和驅(qū)動放大輸出。輸出信號送至功放模塊進(jìn)行功率放大后饋入天線發(fā)射。

1　上變頻器的設(shè)計(jì)目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方案

1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)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(shí)現(xiàn)用戶可定制發(fā)射功率的發(fā)射機(jī)。根據(jù)發(fā)射機(jī)整機(jī)指標(biāo)分配，該上變頻模塊的的電器指標(biāo)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(gòu)：BJ400波導(dǎo)

1.2實(shí)現(xiàn)方案

（1）總體方案

本設(shè)計(jì)總體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

其增益和1dB壓縮點(diǎn)的鏈路計(jì)算如表1所示。

其中波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換、波導(dǎo)濾波器與上變頻器腔體一體化設(shè)計(jì)，而微帶線，微波集成電路用導(dǎo)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(shí)現(xiàn)上變頻器的一體化，小型化設(shè)計(jì)。

（2）混頻器設(shè)計(jì)選型

本設(shè)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(shí)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。為降低頻率合成器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(diǎn)輸入功率為18dBm，1dB壓縮點(diǎn)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(dǎo)濾波器，若選用合適的驅(qū)動放大器，只需要選用指標(biāo)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(shí)現(xiàn)指標(biāo)要求。從而降低了了設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本。

由于EHF頻段射頻芯片面臨對華限運(yùn)、貨期不穩(wěn)定等問題，在滿足指標(biāo)要求前提下，綜合貨期、成本、進(jìn)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(diǎn)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(biāo)，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(jì)算表

（5）波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)

根據(jù)各器件資料，該設(shè)計(jì)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(diǎn)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(biāo)，需雜散對38.4GHz的信號抑制至少-60dBc-（-20dBc）=-40dB?？紤]必要的設(shè)計(jì)余量，對濾波器提出的指標(biāo)要求是：

通帶：40.9GHz～43.1GHz

通帶插損：≥-1dBm

抑制：≤-45dB@38.4GHz。

波導(dǎo)濾波器是利用波導(dǎo)傳輸線和波導(dǎo)阻抗變換結(jié)構(gòu)構(gòu)成的調(diào)諧結(jié)構(gòu)組成的濾波器，波導(dǎo)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(diǎn)，在毫米波頻段，波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)也較小。

最常見的波導(dǎo)濾波器實(shí)現(xiàn)形式是采用串聯(lián)耦合諧振器帶通濾波器結(jié)構(gòu)（圖3所示），以半波長波導(dǎo)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▽?dǎo)內(nèi)加入不連續(xù)性（圖4所示），實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電抗結(jié)構(gòu)作為諧振器間的耦合結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)濾波器器結(jié)構(gòu)。

圖3　串聯(lián)耦合諧振器帶通濾波器

圖4　波導(dǎo)膜片不連續(xù)性及其等效電路

波導(dǎo)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(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D電磁計(jì)算，該算法結(jié)果較為準(zhǔn)確，但計(jì)算量較大，如對模型進(jìn)行優(yōu)化，程序運(yùn)行時間較長。

μWave Wizard是一款偽3D仿真設(shè)計(jì)軟件，其原理是通過理論計(jì)算各波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的S參數(shù)數(shù)據(jù)，然后按照電路計(jì)算的方法來得到整個電路的S參數(shù)，但該軟件準(zhǔn)確度較HFSS差?？梢朐撥浖M(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，在用HFSS對設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。

具體采用的設(shè)計(jì)步驟是：

（1）使用μWave Wizard的濾波器設(shè)計(jì)工具，按設(shè)計(jì)要求填寫濾波器參數(shù)，并選則適當(dāng)?shù)哪て愋停绦驎詣佑?jì)算滿足要求的濾波器設(shè)計(jì)。

（2）按照該結(jié)果在HFSS上進(jìn)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(shè)計(jì)工具中的頻率參數(shù)，重復(fù)步驟（1）、（2）直至HFSS仿真得到期望的濾波器響應(yīng)曲線。

圖5為生成最終設(shè)計(jì)結(jié)果μWave Wizard濾波器設(shè)計(jì)工具參數(shù)設(shè)置，圖6為μWave Wizard對最終設(shè)計(jì)波導(dǎo)濾波器計(jì)算的濾波器響應(yīng)曲線。

圖5　濾波器設(shè)計(jì)工具參數(shù)設(shè)置

圖6　μWave Wizard計(jì)算結(jié)果

圖7為按μWave Wizard設(shè)計(jì)的波導(dǎo)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(dǎo)濾波器HFSS模型

圖8　HFSS對波導(dǎo)濾波器仿真結(jié)果

對比圖6和圖8結(jié)果可見，更接近實(shí)際的HFSS仿真結(jié)果與μWave Wizard理論計(jì)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(yīng)曲線，故用μWave Wizard指導(dǎo)波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)可行。由于μWave Wizard濾波器設(shè)計(jì)工具運(yùn)算速度較快，用以輔助波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)可大大提高波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)效率。

（6）波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

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

由仿真結(jié)果可見，該設(shè)計(jì)插損＜0.05dB，回波損耗＞25dB。

為盡量降低同軸部分的插損，該設(shè)計(jì)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(jī)械強(qiáng)度高，電氣性能穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。圖

11為焊裝于結(jié)構(gòu)件上的玻璃絕緣子。

圖9　波導(dǎo)-同軸探針結(jié)構(gòu)HFSS模型

圖10　波導(dǎo)-同軸探針結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

圖11　玻璃絕緣子

2　結(jié)語

根據(jù)本方案設(shè)計(jì)的EHF頻段上變頻器，性能指標(biāo)全面滿足要求，可通用于不同輸出功率的EHF頻段發(fā)射機(jī)上。EHF頻段上變頻器是EHF頻段發(fā)射機(jī)、EHF頻段衛(wèi)通通信地球站設(shè)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(yīng)用，和下一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研制奠定基礎(chǔ)。

［1］陳邦媛.射頻通信電路.北京：科學(xué)出版社，2002.

［2］Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.射頻電路設(shè)計(jì)——理論與應(yīng)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(shè)計(jì)與實(shí)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(guān)鍵技術(shù)研究：工程碩士學(xué)位論文.成都：電子科技大學(xué)，2012.

［5］王曉會.Ku波段波導(dǎo)廣義切比雪夫?yàn)V波器研制：碩士論文.成都：電子科技大學(xué)，2009.

［6］宋志東，張國強(qiáng)，崔敏.一種Ka波段寬帶波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器的研制.火控雷達(dá)技術(shù)，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?yàn)樾l(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(shí)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(dǎo)濾波器、微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換與平面電路部分一體化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了該模塊的小型化。該設(shè)計(jì)方法能夠廣泛應(yīng)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(dǎo)

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.