EHF頻段上變頻器的設(shè)計及實現(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 。通過增加補償措施，實現(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軐崿F(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。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在于：工作頻率高，加工、制造工藝復(fù)雜；中頻相對帶寬比較寬，帶內(nèi)幅頻特性指標(biāo)難實現(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，而各濾波器均可設(shè)計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，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 級混頻器后的頻率為第1 中頻，簡稱IF1 ；第2 級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、中頻選擇及雜散計算

變頻器設(shè)計的關(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?；祛l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把信號從一個頻率變到另一個頻率。

混頻器利用非線性元件來實現(xiàn)輸入信號、本振信號及2 種信號的高次諧波在頻率上的加、減運算。為了提取出有用信號，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，前一級混頻的輸出頻率又作為下一級混頻的輸入頻率，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，避免其進(jìn)入下一級混頻器。前面提到有些帶內(nèi)雜散信號是無法通過濾波器濾除的。帶內(nèi)雜散信號中的一部分，可以通過調(diào)整混頻器輸入 電平來降低雜散信號的電平。

如果在方案設(shè)計階段就能計算出雜散的頻率和電平幅度，就可以根據(jù)計算結(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，實現(xiàn)設(shè)備最優(yōu)設(shè)計。選擇一個好的中頻頻率，可以降低系統(tǒng)的設(shè)計復(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，可以通過公式計算混頻輸出雜散，根據(jù)結(jié)果調(diào)整頻率，再計算，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。