Ka頻段上變頻器的設計與實現

王啟，陳小忠（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510663）

Ka頻段上變頻器的設計與實現

王啟，陳小忠
（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510663）

0　引言

近年來，衛星通信應用Ka波段的情況越來越多，表現出了通信衛星新的發展趨勢。著名的國際太空咨詢機構Euroconsult在其最近的《衛星通信與廣播市場觀察》（第16版）中指出：“2018年，Ka波段需求將占衛星容量總需求的18%，主要采用Ku和C波段的軍事衛星通信也將被推向Ka波段?！痹谕ㄐ判l星中采用Ka波段，可以獲得較寬的工作頻帶，增加通信容量，同時還可以實現較窄的波束，從而獲得高的EIRP值，減小地面終端天線尺寸。而且，相對于已經十分擁擠的C、Ku波段，Ka波段的干擾較小，便于衛星的軌道位置和頻率關系的協調。而元器件以及工藝水平的提高，也對Ka波段的發展起到了一定的加速作用。因此，Ka頻段上變頻器的研究與實現對于國內Ka頻段衛星通信具有重要意義。

1　上變頻器的設計目標與實現方案

1.1設計目標

Ka頻段上變頻器實現中頻到Ka頻段射頻的頻譜搬移，衛星通信要求Ka頻段上變頻器的性能如下：

輸入頻率：1.5GHz～3.5GHz

輸出頻率：28.5GHz～30.5GHz

頻譜特性：不倒置；

雜散輸出：≤-53ddBc（帶內）

≤-63dBc（帶外）

相位噪聲：≤-64dBc/Hz（100Hz）

≤-74dBc/Hz（1kHz）

≤-84dBc/Hz（10kHz）

≤-94dBc/Hz（100kHz）

1.2實現方案

為實現上述設計目標，本設備采取一次變頻方案，原理框圖如圖1所示。

中頻及混頻電路實現中頻電路的放大、濾波以及中頻與本振的混頻，中頻電路包括兩級溫補衰減電路、兩級中頻放大電路和一級中頻濾波電路。其中，溫補衰減器用于改善由于溫度變化引起的發射通道總增益的波動，中頻放大（IFA）電路采用兩級放大，每一級放大電路的增益約為11dB；中頻濾波電路為一微帶低通濾波器（LPF），主要是為了濾除中頻信號的諧波分量，保證混頻前中頻信號的純度。

本振電路采用整數分頻鎖相環技術，通過低相噪頻率合成器技術使得設備的相位噪聲滿足設計目標。

射頻電路包括射頻放大、射頻濾波以及微帶/波導過度電路，其中，射頻放大電路包括兩級驅動放大和一級功率放大，射頻濾波由三級帶通濾波器構成，一方面保證雜散指標，另一方面進行收阻濾波，保證發射機的接收頻段的噪聲不對接收機造成影響；微帶/波導過渡電路實現電磁波從介質向波導的過渡。

圖1　Ka頻段上變頻器原理框圖

圖2　本振電路原理框圖

2　關鍵電路的設計

2.1本振電路

（1）本振頻率的選擇

對于本上變頻器，輸入頻率為中頻，輸出頻率為Ka頻段射頻，我們可以通過加法或減法兩種方法實現S中頻到Ka的頻譜搬移。

①加法

即這種情況的本振頻率為27GHz。此時的頻譜是不倒置的，輸入1.5GHz時輸出28.5GHz，輸入3.5GHz時輸出30.5GHz。

②減法

此時分別取fRF和fIF的中心頻點進行運算，即：

即這種情況的本振頻率為32GHz。

以上兩種方法均能實現頻譜搬移，但是方法②的頻譜特性是倒置的（輸入1.5GHz的時候輸出30.5GHz，輸入3.5GHz的時候輸出28.5GHz），不滿足設計要求，因此我們選擇方法①。

（2）本振頻率的實現

通過上面的運算可知，該上變頻器的本振頻率為27GHz。通常這么高的頻率往往無法直接通過鎖相環（PLL）來實現，通常通過鎖相環實現較低的頻率，再利用器件的非線性倍頻特性來實現較高的本振頻率。由于目前的VCO頻率普遍低于10GHz，故在鎖相環部分產生6.75GHz的信號，然后再利用放大器的非線性將其4倍頻至27GHz。本振電路的原理框圖如圖2所示。

由于本振輸出為點頻，故采用整數分頻方案以提高輸出信號的相位噪聲（保持相同的鑒相頻率）。對于帶內的相位噪聲，其噪聲的來源主要是鑒相器、參考時鐘以及環路濾波器（在微波頻段，環路濾波器的影響不容忽視）。對于帶外的相位噪聲，噪聲來源主要是VCO。對于過渡帶，鑒相器、參考時鐘、環路濾波器和VCO均是噪聲源頭。

由鎖相環的原理，我們可以通過公式（1）推導出鑒相芯片引入的帶內平坦噪聲，通過公式（2）推導出鑒相芯片引入的帶內1/f噪聲（閃爍噪聲），通過公式（3）推導由參考時鐘引入的相位噪聲。最終任一頻率偏移處的相位噪聲表現為三者的疊加。

鑒相芯片的基底噪聲為-223dBc/Hz，鑒相頻率取50MHz，N為135，通過公式（1）計算出帶內平坦相位噪聲為-103.4dBc/Hz。

鑒相芯片的1/f噪聲為-122dBc/Hz（1GHz，偏離10kHz），通過公式（2）計算1kHz偏移處的相位噪聲為-103.7dBc/Hz。

參考時鐘的相位噪聲為-152dBc/Hz（1kHz），通過公式（3）計算參考時鐘引入的相位噪聲-95.4dBc/Hz。

將以上三方面的相位噪聲進行疊加可得綜合的相位噪聲-94.2dBc/Hz。

由于鎖相環輸出的頻率還要通過4倍頻得到本振頻率27GHz，其相位噪聲的惡化按照公式（4）進行計算，可得到27GHz偏離1KHz的相位噪聲為-82.2dBc/ Hz。考慮到環路濾波器還會引入一部分相噪，而且倍頻器件也會引入一定的噪聲，最終的相位噪聲還會有所下降，但能夠滿足指標要求。

用同樣的方法可以分別計算偏離100Hz處的相位噪聲。

根據鎖相環原理，環路對于鑒相芯片、參考時鐘、環路濾波器等呈現低通特性，而對VCO呈現高通特性，因此環路帶寬以外的相位噪聲主要取決于VCO自身的相位噪聲。

VCO在10KHz和100kHz處的相位噪聲分別為-101dBc/Hz和-119dBc/Hz，按照公式（4），其倍頻后的相噪分別為-89dBc/Hz和-107dBc/Hz。

圖3　設計方案框圖

顯然，為了使得各個頻率偏移點的相位噪聲均滿足要求，環路帶寬最好設置在1kHz與10kHz之間，使得100Hz和1kHz位于帶內，而10kHz和100kHz位于帶外。經過實際實驗，環路帶寬設置為5kHz，相位裕度為50°時，鎖相環能夠達到較好的性能。

關于鎖相環的雜散，由于是整數分頻，故主要雜散為鑒相雜散，即偏離載波50MHz的整數倍處的雜散，對于這類雜散，環路濾波器可以較好的濾除。

另有一種雜散需要引起重視——VCO引起的雜散。對于該方案，VCO的輸出頻率為6.75GHz，實際往往是VCO通過內部倍頻得到的，即VCO的基頻為3.375GHz。這樣，鎖相環輸出的頻率除了6.75GHz，還有3.375GHz的整數倍頻率，尤其以3.375GHz自身的影響最大。如果該信號不加以處理，最終會在本振頻率偏移3.375GHz處出現雜散。對于這種雜散，解決方法是在VCO的輸出處加上一個LTCC的高通濾波器。

2.2中頻電路

（1）中頻電路方案

中頻及混頻電路實現中頻電路的放大、濾波以及中頻與本振的混頻，同時該電路還要盡可能避免產生或削弱雜散信號。

中頻電路包括兩級溫補衰減電路、兩級中頻放大電路、一級中頻濾波電路和三級幅度均衡電路。其中，溫補衰減器用于改善由于溫度變化引起的發射通道總增益的波動；中頻放大（IFA）電路采用兩級放大；中頻濾波電路為一微帶低通濾波器（LPF），主要是為了濾除中頻信號的諧波分量，保證混頻前中頻信號的純度。幅度均衡電路用以優化整個上變頻器的幅頻特性，中頻及混頻電路原理框圖如圖3所示。

（2）幅度均衡網絡

射頻設備作為衛星通信中的重要傳輸設備，除了完成信號的頻率變化、功率放大等功能外，還應保證信號的無畸變傳輸。在射頻設備中擁有大量的混頻器、濾波器、放大器等元器件，這些元器件對信號的幅度、相位進行處理選擇，對信號引起了不同程度上的畸變。

要想實現信號的無畸變傳輸，實際的系統很難滿足以上要求，相位/頻率發生畸變時，需要采用全通網絡進行補償，幅度/頻率畸變需要采用幅度均衡網絡進行補償。本文對幅度/頻率的畸變進行研究，幅度均衡的原理就是利用諧振網絡產生補償曲線。

如果使已經發生幅度畸變的信號經過某一特殊網絡，而該特殊網絡的幅度/頻率特性與傳輸網絡的幅度/頻率特性相反，這樣就可以對傳輸網絡的畸變進行有效的補償，使得信號在工作頻段內實現無畸變傳輸（或減小信號畸變程度），該特殊網絡就被稱為均衡網絡。

傳輸網絡的幅度/頻率特性可以系統增益波動來表示。系統增益在工作帶內不是固定常數，增益隨著工作頻率的變化而發生改變。一般呈現的高端、低端頻率兩端增益較低，中心頻點附近頻率增益較高的特性，如圖4所示。

圖4　常見增益特性

在輸入相同功率的寬帶信號時，若系統增益呈現以上趨勢，則會造成工作頻段內各點的輸出功率不一致，嚴重時使得某段頻率范圍內出現過飽和的狀態，出現信號失真，影響系統的正常運行。為了解決以上問題，需要增加幅度均衡電路，用來補償以上曲線特性。均衡網絡的工作原理是在傳輸網絡中串聯增加與原傳輸網絡幅度/頻率特性相反的均衡網絡，兩者的特性之和滿足一個常數的條件，校正了信號的幅度畸變。

這就要求幅度均衡電路具有如下的變化趨勢，見圖5所示。

圖5　補償曲線

幅度均衡電路與原系統串聯使用，最終達到圖6所示效果。圖中所示的是理想效果，在實際系統中不可能完全補償以上曲線，只能部分補償曲線特性，最終使得補償后的曲線能夠滿足系統要求。

圖6　補償后的增益曲線

應用最簡單的L、C、R元器件組成的諧振電路即可實現圖4所示的均衡效果，具體電路及特性曲線見圖7和圖8。圖7中電感及電容的共同作用確定電路的諧振頻率，電阻的大小可用來調節諧振的幅度。適當選擇元件大小，可以實現對圖4常見系統增益特性曲線的補償。

圖7　R、L、C元件組成的均衡電路

圖8　均衡電路仿真結果

2.3微帶濾波器

對于Ka頻段上變頻器這樣一個微波單元，微帶濾波器是一類不容忽視的無源器件，其能夠實現中頻濾波、本振濾波和射頻濾波器，可以說貫穿于整個上變頻器，因此微帶濾波器的設計與實現對于上變頻器性能的保證起著至關重要的作用。

常用的微帶濾波器主要有：平行耦合濾波器、發夾型濾波器和交指濾波器三種。

圖9　平行耦合濾波器典型結構

圖10　發夾濾波器典型結構

平行耦合濾波器通過調節線寬和間距就能得到較大的耦合系數，設計簡單。發夾型濾波器，常用于濾波器小型化。交指濾波器結構更加緊湊。三種濾波器的對比見表1。

圖11　交指濾波器典型結構

表1　三種常用微帶濾波器的特點

對于Ka射頻濾波器，若采用發夾型濾波器，通過仿真得出耦合線最小間距約為0.1mm，這對加工提出了很高的要求，因此選擇平行耦合濾波器。

利用ADS進行原理仿真，并進行自動優化，得到濾波器的參數，如圖12所示。

圖12　Ka頻段平行耦合濾波器原理圖

在HFSS中進行模型仿真，經過反復調試，仿真模型如圖13所示，仿真結果如圖14所示。

圖13　Ka頻段濾波器HFSS模型

圖14　Ka頻段濾波器HFSS仿真結果

對于中頻信號的濾波及鎖相環的輸出濾波，由于頻率相對較低，采用平行耦合濾波器將會占用較大面積，故采用交指濾波器或發夾型濾波器，其設計方法同上述的平行耦合濾波器類似。

3　結語

根據本方案設計的Ka頻段上變頻器，性能指標全面滿足要求，經過各項試驗驗證，滿足衛星通信地球站上行鏈路的需求。Ka頻段上變頻器的研制成功對于取代國外同類產品、實現關鍵設備的國產化具有重要意義。

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Satellite Communication；Ka-Band；Up-Converter；Spurious；Phase Noise；Amplitude-Frequency Characteristics

Design and Implementation of Ka-Band Up-Converer

WANG Qi，CHEN Xiao-zhong
（Guangzhou Haige Communications Group Limited by Share Ltd.，Guangzhou 510663）

1007-1423（2015）23-0071-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.23.018

2015-06-25

2015-08-10

闡述了一種Ka頻段衛星通信上變頻器的實現方案，采用一次變頻方案將中頻信號上變頻至Ka頻段射頻信號，在實現一定增益的同時能夠保證設備的雜散、相位噪聲以及幅頻特性等指標。該設計方法與調試技巧能夠廣泛應用于衛星通信地球站的上行鏈路。

衛星通信；Ka頻段；上變頻器；雜散；相位噪聲；幅頻特性

王啟，男，碩士，研究方向為衛星通信，射頻技術等

陳小忠，男，本科，研究方向為衛星通信，射頻技術等

Describes an achievement to design a kind of Ka-band up-converter，which converts S-band IF signal to Ka-band RF signal by once frequency conversion.The some gain can be achieved as well as the output spurious，phase noise and amplitude-frequency characteristics.The design and debug method can be used in up-link of satellite communications.