Ka頻段低雜散上變頻器設計及實現

楊曉雷 苗利軍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所河北石家莊 050081)

1 引言

上變頻器用于實現中頻信號到射頻信號的頻譜搬移，以利于信號的空間傳輸。Ka 頻段（26.5～40 GHz）和其他頻段相比，具有可用帶寬寬、通信容量大、設備體積小等特點。在毫米波通信系統中，低雜散Ka 頻段上變頻器作為其中的關鍵部件，越來越受到人們的重視。文章對Ka 頻段低雜散上變頻器的設計和工程實現進行了研究。介紹的Ka 頻段低雜散上變頻器采用3 次變頻方案，將UHF 頻段中頻信號上變頻至Ka 頻段。通過優化方案設計，采用高性能混頻器、濾波器等方法，在信號射頻輸出帶內獲得較低的雜散和較為理想的幅頻特性。測試表明，該上變頻器性能優良，工作狀態穩定，符合設計指標的要求。

2 方案選擇及電路組成

Ka 頻段上變頻器主要設計技術指標如下：①增益：≥20 dB；②帶內平坦度：≤3 dB；③雜散抑制：≥50 dBc。此上變頻器設計的關鍵是各級中頻選擇及電平分配。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。根據本設備技術指標及頻率接口的要求,并考慮混頻器等器件的技術指標，設計選用3 次變頻方案。Ka 頻段上變頻器由變頻鏈路一、變頻鏈路二、變頻鏈路三組成，如圖1所示。

圖1 Ka頻段上變頻器電路組成

變頻鏈路一完成UHF 頻段中頻輸入至L 頻段一中輸出的頻譜搬移；變頻鏈路二完成L 頻段一中信號至C 頻段二中信號的頻譜搬移；變頻鏈路三完成C 頻段二中信號至Ka 頻段射頻信號的頻譜搬移。其中，變頻鏈路一重點在于低雜散設計；變頻鏈路二重點在于帶通濾波器設計；變頻鏈路三重點在于增益控制電路、射頻濾波器及Ka 頻段本振源的設計。

3 關鍵電路設計

3.1 變頻鏈路一的設計

變頻鏈路一原理如圖2 所示。

圖2 變頻鏈路一電路組成

輸入的UHF 頻段中頻信號經過混頻后輸出L 頻段的一中頻信號，經濾波、放大后輸出。低雜散輸出是變頻鏈路一設計的難點，設計采用-5 dBm 本振驅動電平、-0.5 dB 轉換增益的高線性、雙平衡、有源混頻器LT5521 來滿足低雜散要求。該混頻器采用雙平衡式設計，使本振到輸出的泄漏很低，有助于抑制偶次諧波的產生并提高本振-射頻輸出的隔離度，從而減輕了輸出濾波器對本振抑制的壓力。為避免各本振之間的串擾對輸出信號質量的影響，必須對本振信號進行屏蔽、隔離和濾波。雜散信號主要有：①本振信號及其諧波泄漏；②輸入信號及其諧波與本振信號及其諧波混頻得到的產物。

根據設計的特點，兼顧帶外雜散指標，設計時將混頻器輸入電平降到-10 dBm 混頻，可以保證帶內雜散優于-60 dBc。為避免通道本振成為其它通道的雜散，必須用濾波器濾除。當本振電平為-5 dBm 時，混頻器本振-射頻的隔離度為35.5 dB，混頻后本振電平為-40.5 dBm，當輸入-10 dBm 信號時，混頻后信號和本振電平差為30 dB。設計選用LC 濾波器，兼顧帶內平坦度指標，濾波器對本振抑制優于20 dBc，最終變頻鏈路一對本振的抑制達到50 dBc 以上。最后，變頻鏈路一的雜散抑制優于50 dBc，幅度平坦度優于1 dB。

3.2 變頻鏈路二的設計

變頻鏈路二組成框圖如圖3 所示。

圖3 變頻鏈路二電路組成

輸入的L 頻段信號經混頻輸出C 頻段信號，經放大、濾波后輸出。對于該鏈路，設計時必須分腔設計，避免本振串擾形成帶內雜散。

變頻鏈路二的設計重點在于帶通濾波器的設計。C 頻段帶通濾波器既要保證帶內平坦度，又要保證帶外抑制。設計時，選用Rogers4350B 板材，其介電常數為3.48，厚0.508 mm。在工藝保證的同時，對濾波器準確設計是濾波器成功的關鍵，帶通濾波器選用切比雪夫原型設計，采用7 階終端短路式微帶濾波器。首先用Ansoft Designer 電路設計軟件對濾波器進行了初步設計，然后通過Ansoft HFSS 三維電磁場仿真軟件對其進行精確仿真，最后根據仿真結果在電路中對設計參數進行優化，最終得到滿意的仿真結果：插損最大3 dB，帶內平坦度小于0.5 dB，帶外抑制60 dBc。實測時，濾波器插損約3.2 dB，帶內平坦度小于0.5 dB，帶外抑制約55 dBc。

3.3 變頻鏈路三的設計

變頻鏈路三原理框圖如圖4 所示。

圖4 變頻鏈路三電路組成

輸入的C 頻段信號經過增益控制電路后，在混頻器中與Ka 頻段本振信號混頻、放大、濾波后輸出所需的Ka 頻段信號。變頻鏈路三的重點在于增益控制電路、射頻濾波器、Ka 頻段本振源的設計。理論上，增益控制電路設置在上變頻器輸出端比較合適，但增益控制電路在Ka 波段實現非常困難。增益控制電路在上變頻器設計中主要考慮以下幾個方面：①最大增益由輸入最小電平和輸出最大電平決定；②最小可控衰減量由上變頻器最大輸入電平和最大增益決定；③最大可控衰減量由輸出最小電平決定；④增益控制電路衰減過大時不能對噪聲系數影響太大，否則會影響輸出信號的信噪比；⑤增益控制電路衰減過大時不能對雜散抑制指標影響太大。綜合考慮，設計在C 波段用數控衰減器實現上變頻器的增益控制。

射頻濾波器通帶用來濾除帶外無用信號。采用5 節平行耦合線結構，采用微帶薄膜工藝在0.63 mm 厚陶瓷基片上實現具體電路。根據指標要求研制了該濾波器，其帶內損耗小于4 dB，帶內幅頻特性0.5 dB，對本振頻率的抑制達到5 dBc 以上。設計中，Ka 頻段本振采用鎖相單環和倍頻來實現，工作原理框圖如圖5 所示。

圖5 Ka 頻段本振原理框圖

相位噪聲計算如下：鑒相頻率50 MHz，此時鑒相器的本底相噪指標為-156 dBc/Hz@10 kHz，輸出頻率的倍頻次數為125，則輸出信號相噪指標為-156+20lg125≈-114 dBc/Hz，后又經過4 倍頻器相噪惡化12 dB，由環路及其部件引入的噪聲影響一般變差3 dB，最終輸出理論相噪指標可達到-99 dBc/Hz@10 kHz。

4 關鍵技術

4.1 微組裝技術

采用微組裝工藝實現有源電路MMIC 與無源電路的混合集成，可以有效的減小體積，達到小型化的目的，但同時對設計人員、工藝人員的要求也進一步提高，寬帶電路對微組裝的工藝細節更加敏感，特別是比較高的Ka 頻段。

在Ka 頻段，金絲互連結構的高頻效應主要影響到增益平坦度、回波損耗等指標，對于寬帶射頻電路更是如此。金絲焊接的性能受如下因素影響：①金絲的條數、粗細、長度、拱高；②金絲與金絲間的間距；③金絲距離微帶線的高度。金絲互連時金絲的拱高應盡量低，同時也應盡量降低微波芯片焊盤與傳輸線之間的高度。金絲的拱高對微波電氣性能存在的影響有幾個方面：①拱度過高帶來的局部高阻抗會導致與微波芯片的連接失配，進而導致駐波比變差；②拱度過高還會出現較強的高頻效應，使微波電路出現自激，導致微波電路無法正常工作。

通過仿真，得到如下結論：①在單根鍵合金絲、同跨距的情況下，拱高越平、越低對微波傳輸特性的影響越小。但平直鍵合金絲受到溫度沖擊或震動時容易發生斷裂，所以鍵合金絲須保持適當的拱高；②在同拱高的情況下，跨距越短對微波傳輸特性影響越小；③雙金絲的駐波比、插入損耗性能優于單金絲；三根金絲的性能稍有提高，但金絲根數越多性能提高越不明顯；④金絲發散式排列時，能夠獲得更好的微波傳輸特性。為此，設計在試驗和實際電路的組裝中都采用了發散式排列三金絲互連結構，如圖6 所示。

圖6 發散分布互連三金絲結構

微波管芯的接地狀況對增益、插入損耗、變頻損耗等有較大影響，接地不好會導致芯片自激、諧振，進而引起電路的串擾。微波芯片良好的接地需要用優質導電膠均勻、無氣泡的將基片或可伐材料粘接在腔體上，任何氣泡都會帶來意外的分布電容加載，使得微波傳輸特性發生變化，從而導致不連續性，在微波傳輸線上出現較強的反射，輕則降低微波有源器件的增益，重則帶來不穩定性和振蕩，導致微波電路自激。所以微組裝工藝必須保證電路接地良好。

4.2 寬帶增益平坦度技術

對于寬帶上變頻器的增益平坦度而言，影響的因素有很多：①無源器件在工作頻段內不平坦，例如：濾波器通帶邊緣的衰減要比通帶中心大些，微帶線拐角在高頻時的反射會大一些；②微波混頻器、微波放大器等MMIC 器件在工作頻段內插入損耗或增益的不平坦；③各種吸收點，比如微組裝出現的高頻寄生效應、腔體設計的不合理、濾波電路中電感的諧振等原因造成的諧振等；④混頻器本振端輸入不同頻率的增益平坦度；⑤微波器件之間阻抗不匹配或匹配不好。

為了實現較好的寬帶增益特性：①應通過設計避免吸收點造成的影響，控制好微組裝工藝細節對寬帶射頻信號傳輸的影響，包括金絲鍵合的寄生參數、同軸－微帶轉接頭的駐波特性、以及螺旋電感和單層電容的諧振等；②混頻器、放大器等MMIC 芯片本身插入損耗或增益的不平坦基本上都是線性的，必要時可以設計幅度均衡器進行補償；③在設計小型化濾波器等器件時要給通帶留一定的余量，在滿足帶外抑制的前提下盡量擴展濾波器的帶寬，使濾波器的應用頻帶內具有比較好的平坦度。

另外，各微波器件之間阻抗不匹配導致的幅度不平坦性，一般情況下可以通過以下措施解決：①對微波器件駐波比達不到指標要求的，通過外圍電路的設計加以改善，必要時可以加3 dB 以上的衰減器改善駐波比；②在微波頻段，各器件的級聯變得很困難，任何小的阻抗失配都會對平坦度造成很大影響，通過調整各級電路的匹配狀態，增加電路中各級的隔離度等方法，達到各器件的良好匹配；③仔細篩選器件，確保在工作頻段內具有良好的幅度特性和阻抗特性；④仿真設計的濾波器等電路，必須保證良好的駐波比及平坦度指標，避免由于匹配不好造成濾波器波形的變化；⑤中頻帶通濾波器設計為平頂帶寬，避免中頻濾波器邊緣下降對射頻通帶平坦度的影響。

5 上變頻器性能指標

最后，測得的整個Ka 頻段上變頻器性能指標如下：①增益：≥20 dB；②增益平坦度：≤2 dB；③雜散抑制：≥50 dBc；④增益控制范圍：30 dB 步進0.5 dB；⑤相位噪聲：優于-99 dBc/Hz@10 kHz，測試結果表明Ka 頻段上變頻器指標優良。

6 結束語

介紹了低雜散Ka 頻段上變頻器的設計，對其中的關鍵電路進行了較為詳細的描述，對雜散產生及其抑制進行了分析。試驗測試結果表明，設計為低雜散上變頻器提供了一種適宜工程實現的方法。

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