基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的QPSK微波調(diào)制器

方 龔，于洪喜，楊 飛

（中國空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安 710100）

載波直接調(diào)制目前已被看作是降低無線通信系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度的重要方法[1-2]。傳統(tǒng)的微波發(fā)信機(jī)基本上都采用中頻調(diào)制再上變頻至微波頻段的方案。

中頻調(diào)制技術(shù)比較成熟，易于設(shè)計(jì)制造，還能保證一定的中頻功率，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，成本高。由于中頻頻率相對較低，需要經(jīng)過一系列的變頻處理，這些非線性電路使得調(diào)制電路復(fù)雜，同時(shí)在高碼速率時(shí)難以保證調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量。

微波直接調(diào)制理論比較簡單、直接，有利于電路的小型化，減少了中頻調(diào)制的一系列非線性的頻率變換，包括中放、濾波變頻等，減少了影響相位噪聲的因素（比如頻率偏差和穩(wěn)定性等因素），便于高碼速率的實(shí)現(xiàn)。但對電路制作的工藝要求比較高。

基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide，SIW）技術(shù)是近期提出的一種可以集成于介質(zhì)基片中的具有低插損，低輻射等特性的新的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)[3-4]。它是通過在上下底面為金屬層的低損耗介質(zhì)基片上排布金屬化通孔陣列而實(shí)現(xiàn)的，其目的是在介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的功能。它可有效地實(shí)現(xiàn)無源和有源的集成，使微波毫米波系統(tǒng)小型化，甚至可把整個(gè)微波毫米波系統(tǒng)制作在一個(gè)封裝內(nèi)，極大地降低了成本；而且它的傳播特性與矩形金屬波導(dǎo)類似，所以由其構(gòu)成的微波毫米波部件及子系統(tǒng)具有高Q值，高功率容量，易集成等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于整個(gè)結(jié)構(gòu)完全為介質(zhì)基片上的金屬化通孔陣列所構(gòu)成，所以這種結(jié)構(gòu)可以利用PCB和LTCC工藝精確的實(shí)現(xiàn)，并可與微帶電路實(shí)現(xiàn)無隙集成。

1 QPSK微波調(diào)制器設(shè)計(jì)方案

QPSK微波調(diào)制器主要由本地振蕩、模擬乘法器、諧波濾波器、電橋和電橋等基本電路組成。原理如圖1所示。

圖1 QPSK調(diào)制原理Fig.1 QPSK Modulation principle

其中，模擬乘法器作為核心部件，通過輸入信號(hào)對載波進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)移相鍵控。在微波頻率上實(shí)現(xiàn)移相鍵控，最常用的類型包括反射式調(diào)相器.開關(guān)線型調(diào)相器，加載線型調(diào)相器。本文采用開關(guān)線型調(diào)相器。在ADS中整體建模。

其中，90°電橋，模擬乘法器采用SIW結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，0°電橋采用經(jīng)典的威爾金森功分器實(shí)現(xiàn)。

2 微波電路設(shè)計(jì)

2.1 90°電橋

在QPSK調(diào)制解調(diào)器中，需要對基帶信號(hào)或載波信號(hào)產(chǎn)生的相移，采用SIW結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖[5]如圖2所示。

圖2 SIW 90度電橋原理圖Fig.2 The SIW 90 degree bridge schematic

2.2 模擬乘法器

模擬乘法器可以看做是一個(gè)BPSK調(diào)制器，最常用的類型包括反射式調(diào)制器。開關(guān)線型調(diào)制器，加載線型調(diào)制器，本文采用開關(guān)線型調(diào)制器。開關(guān)線型調(diào)制器的構(gòu)成如圖3所示[6]。射頻信號(hào)有兩條不同的傳輸路徑，用接在兩條路徑中的開關(guān)二極管來控制這兩條路徑的通斷。當(dāng)信號(hào)從不同路徑通過時(shí)，有Δl的路程差。這Δl的路程差引起的相位差就使射頻信號(hào)獲得了調(diào)相。

圖3 開關(guān)線型調(diào)相器結(jié)構(gòu)Fig.3 Switching phase modulator structure

在常規(guī)的電路設(shè)計(jì)中，主要由Δl的路程差引起的相位差，因?yàn)椴煌l率的電磁波波長不同，所以僅能在窄帶中實(shí)現(xiàn)較好的移相性能，本文根據(jù)需要，運(yùn)用波導(dǎo)中電場反射時(shí)反相的原理，進(jìn)行建模，由反射的電磁波提供180°的相移量，可實(shí)現(xiàn)較寬頻帶的移相性能。在HFSS中建模，如圖4所示。

3 QPSK仿真結(jié)果

本文在HFSS建立無源模型，進(jìn)行仿真。結(jié)構(gòu)如圖5所示。再將仿真結(jié)果導(dǎo)入ADS中與有源器件進(jìn)行聯(lián)合仿真。通過I，Q兩路輸入給調(diào)制器加固定信號(hào)電平，仿真結(jié)果如圖6所示，分別為QPSK調(diào)制時(shí)4種調(diào)制狀態(tài)下輸出調(diào)制向量的幅度與相位參數(shù)。

可以看出，在范圍內(nèi)，4種狀態(tài)幅度差不超過0.5 dB，相位差誤差經(jīng)過計(jì)算，不超過3°。回波損耗小于-16 dB。

圖4 BPSK調(diào)制器仿真圖Fig.4 BPSK modulator simulation figure

圖5 QPSK調(diào)制器仿真模型圖Fig.5 The QPSK modulator Simulation model diagram

4 結(jié) 論

文中利用SIW技術(shù)在8.5~102 GHz范圍內(nèi)設(shè)計(jì)了一種QPSK微波調(diào)制器，電路的相位誤差在工作頻段內(nèi)小于，而且幅度不平衡小于0.5 dB，實(shí)現(xiàn)了在較寬頻段內(nèi)的QPSK調(diào)制。

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圖6 QPSK調(diào)制器幅度與相位參數(shù)Fig.6 Amplitude and phase parameters of the QPSK modulator