EHF頻段上變頻器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

EHF 頻段是下一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)優(yōu)選的工作頻段，設(shè)備的研制越來越迫切。上變頻器是系統(tǒng)中關(guān)鍵的設(shè)備，通過應(yīng)用仿真軟件對(duì)頻率配置、雜散等指標(biāo)進(jìn)行了仿真分析， 研制了上變頻器，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了L 頻段到EHF 頻段2 GHz帶寬的頻率變換，EHF 頻段1 dB輸出功率大于+ 16 dBm ，2 GHz 帶寬內(nèi)幅頻特性小于315 dB 。通過增加補(bǔ)償措施，實(shí)現(xiàn)較小的帶內(nèi)幅頻特性。

引言

上變頻器是衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路的主要設(shè)備，主要功能是完成中頻到射頻的頻率變換，提供適當(dāng)?shù)脑鲆娌⒛軐?shí)現(xiàn)鏈路增益的調(diào)整。

EHF 頻段(30～300 GHz) 和其他頻段相比，具有可用帶寬寬、干擾少、設(shè)備體積小的特點(diǎn)。EHF 頻段通信容量大，可以大大提高擴(kuò)頻、跳頻等抗干擾、抗截獲措施的性能。目前，國際上EHF 頻段軍事通信衛(wèi)星大部分工作在44 GHz/ 20 GHz 頻段。

EHF 頻段上變頻器研制的難點(diǎn)在于：工作頻率高，加工、制造工藝復(fù)雜；中頻相對(duì)帶寬比較寬，帶內(nèi)幅頻特性指標(biāo)難實(shí)現(xiàn)；設(shè)備3次變頻的輸出雜散控制比較困難。

1、方案選擇

EHF 頻段的上變頻器主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：
①增益：> 25 dB ；
②幅頻特性： 5 dB/ 2 GHz ；
③雜散抑制： - 50 dB。

變頻器的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是設(shè)備中的中頻選擇(即頻率配置)以及電平分配。從頻率變換的過程來看，變頻器可以分為一次變頻、二次變頻和多次變頻等形式。

上變頻器中若采用一次變頻方式，由于中頻頻率相對(duì)于射頻輸出頻率較低，且射頻輸出工作帶寬大于中頻輸入帶寬，本振頻率會(huì)泄露在射頻輸出工作帶寬內(nèi)。為了避免 本振頻率的泄露，必須在設(shè)備的輸出端加一個(gè)抑制本振頻率的帶通濾波器，且該濾波器的中心頻率必須與帶通濾波器和頻率合成器同步可調(diào)，這無疑增加了設(shè)備的成 本和設(shè)計(jì)難度。

采用2 次及2 次以上變頻的變頻器中，只需改變頻率合成器的頻率就可選出所需信號(hào)，而各濾波器均可設(shè)計(jì)成頻率和帶寬都固定的濾波器。方案的頻率變化適應(yīng)性最強(qiáng)，頻率靈活性最佳。但隨著變頻次數(shù)的增加，頻率配置不合適時(shí)將出現(xiàn)組合頻率干擾，本振諧波干擾等。

根據(jù)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)及頻率接口的要求，并考慮混頻器等器件的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)備采用3次變頻的方案實(shí)現(xiàn)，具體分析見第1中頻頻率選擇。設(shè)備變頻過程框圖如圖1 所示。

為了下文敘述方便，定義第1 級(jí)混頻器后的頻率為第1 中頻，簡稱IF1 ；第2 級(jí)混頻器后的頻率為第2 中頻，簡稱IF2 ；設(shè)備中頻輸入簡稱IF。

2、中頻選擇及雜散計(jì)算

變頻器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是雜散的控制。雜散產(chǎn)生的原因一般是由于混頻器在混頻過程中產(chǎn)生的諧波引起的。混頻器是變頻器中至關(guān)重要的器件之一，混頻器的基本用途就是利用本振信號(hào)把信號(hào)從一個(gè)頻率變到另一個(gè)頻率。

混頻器利用非線性元件來實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)、本振信號(hào)及2 種信號(hào)的高次諧波在頻率上的加、減運(yùn)算。為了提取出有用信號(hào)，在混頻后要加上適當(dāng)?shù)臑V波器，濾除無用的雜散分量。但有些雜散分量(例如帶內(nèi)雜散) 是無法通過濾波器濾除的，只能通過調(diào)整信號(hào)頻率，避免混頻過程中的雜散頻率落入工作帶內(nèi)。

當(dāng)混頻器應(yīng)用在上變頻器中，輸入頻率、輸出頻率和本振頻率存在以下關(guān)系：
f_rf = ±mf_lo ±nf_if 。(1)

式中，f_rf為混頻器輸出頻率；f_lo為混頻器本振頻率；f_if為混頻器輸入頻率；m 、n 分別代表本振頻率及輸入頻率的諧波次數(shù)。

如 果設(shè)備采用多次混頻，前一級(jí)混頻的輸出頻率又作為下一級(jí)混頻的輸入頻率，導(dǎo)致最終設(shè)備的輸出雜散頻率十分豐富，所以在每次混頻后都需要增加濾波器，用于濾 除本次混頻產(chǎn)生的雜散信號(hào)，避免其進(jìn)入下一級(jí)混頻器。前面提到有些帶內(nèi)雜散信號(hào)是無法通過濾波器濾除的。帶內(nèi)雜散信號(hào)中的一部分，可以通過調(diào)整混頻器輸入 電平來降低雜散信號(hào)的電平。

如果在方案設(shè)計(jì)階段就能計(jì)算出雜散的頻率和電平幅度，就可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整中頻頻率使得最終設(shè)備的雜散能夠滿足要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)備最優(yōu)設(shè)計(jì)。選擇一個(gè)好的中頻頻率，可以降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高設(shè)備的雜散等指標(biāo)。

為了確定最優(yōu)的中頻頻率，可以通過公式計(jì)算混頻輸出雜散，根據(jù)結(jié)果調(diào)整頻率，再計(jì)算，尋找出合適的中頻，周期較長；另一種方法是可以通過微波仿真工具更加直觀、快速尋找出合適的中頻頻率。