基于基片集成波導技術的QPSK微波調制器

方 龔，于洪喜，楊 飛

（中國空間技術研究院西安分院 陜西 西安 710100）

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

中頻調制技術比較成熟，易于設計制造，還能保證一定的中頻功率，但系統結構復雜，體積大，成本高。由于中頻頻率相對較低，需要經過一系列的變頻處理，這些非線性電路使得調制電路復雜，同時在高碼速率時難以保證調制信號的質量。

微波直接調制理論比較簡單、直接，有利于電路的小型化，減少了中頻調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（比如頻率偏差和穩定性等因素），便于高碼速率的實現。但對電路制作的工藝要求比較高。

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

1 QPSK微波調制器設計方案

QPSK微波調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，通過輸入信號對載波進行調制，實現移相鍵控。在微波頻率上實現移相鍵控，最常用的類型包括反射式調相器.開關線型調相器，加載線型調相器。本文采用開關線型調相器。在ADS中整體建模。

其中，90°電橋，模擬乘法器采用SIW結構進行設計，0°電橋采用經典的威爾金森功分器實現。

2 微波電路設計

2.1 90°電橋

在QPSK調制解調器中，需要對基帶信號或載波信號產生的相移，采用SIW結構進行設計，其結構示意圖[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BPSK調制器，最常用的類型包括反射式調制器。開關線型調制器，加載線型調制器，本文采用開關線型調制器。開關線型調制器的構成如圖3所示[6]。射頻信號有兩條不同的傳輸路徑，用接在兩條路徑中的開關二極管來控制這兩條路徑的通斷。當信號從不同路徑通過時，有Δl的路程差。這Δl的路程差引起的相位差就使射頻信號獲得了調相。

圖3 開關線型調相器結構Fig.3 Switching phase modulator structure

在常規的電路設計中，主要由Δl的路程差引起的相位差，因為不同頻率的電磁波波長不同，所以僅能在窄帶中實現較好的移相性能，本文根據需要，運用波導中電場反射時反相的原理，進行建模，由反射的電磁波提供180°的相移量，可實現較寬頻帶的移相性能。在HFSS中建模，如圖4所示。

3 QPSK仿真結果

本文在HFSS建立無源模型，進行仿真。結構如圖5所示。再將仿真結果導入ADS中與有源器件進行聯合仿真。通過I，Q兩路輸入給調制器加固定信號電平，仿真結果如圖6所示，分別為QPSK調制時4種調制狀態下輸出調制向量的幅度與相位參數。

可以看出，在范圍內，4種狀態幅度差不超過0.5 dB，相位差誤差經過計算，不超過3°。回波損耗小于-16 dB。

圖4 BPSK調制器仿真圖Fig.4 BPSK modulator simulation figure

圖5 QPSK調制器仿真模型圖Fig.5 The QPSK modulator Simulation model diagram

4 結 論

文中利用SIW技術在8.5~102 GHz范圍內設計了一種QPSK微波調制器，電路的相位誤差在工作頻段內小于，而且幅度不平衡小于0.5 dB，實現了在較寬頻段內的QPSK調制。

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圖6 QPSK調制器幅度與相位參數Fig.6 Amplitude and phase parameters of the QPSK modulator