一種小型化EHF頻段上變頻器的設計

歐雨

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州　510663）

一種小型化EHF頻段上變頻器的設計

歐雨

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州510663）

0　引言

通過長期不懈的努力，目前我軍的衛星通信地面站已經覆蓋了UHF、C、Ku、Ka等頻段，并實現了部分裝備的國產化。EHF衛星通信作為我國新開發的軍事衛星通信頻譜資源，具有通信容量大、抗干擾能力和抗截獲能力強、生存力高等優點。

國外EHF頻段衛星通信的研制起步較早。1994年美國便發射了第一顆軍事中繼星（Milstar）。Milstar系統應用于對戰略和戰術部隊進行指揮控制，并對來自間諜衛星及其他信息源的情報進行中繼，以便在所有級別的沖突中（包括全面大戰）提供一個全球性、高生存力、抗干擾、保密的極高頻衛星通信系統。目前美國的Milstar已經發展到第三代。除美國之外，英國和北約組織也擁有帶EHF轉發器的衛星。

由于EHF頻段主要應用于軍事衛星通信，有關其地球站射頻設備的詳細公開的報導很少。可以確認的是射頻設備的工作原理、組成方案以及關鍵指標和其他頻段地球站射頻設備并無實質性差異。

我國衛星通信地球站射頻設備技術的研究起步較晚，自主研發Ku以上頻段射頻收發信機則更晚。2009年廣州海格通信集團股份有限公司成功研制了Ku和Ka頻段射頻收發信機，如圖1左圖所示。同年開發出Ka頻段大功率發射機，如圖1右圖所示。這些設備將在我國第二代軍事通信衛星地球站中獲得廣泛的應用。

圖1　Ka頻段收發信機（左圖）、發射機（右圖）

EHF頻段上變頻器是EHF頻段發射機的重要組成部分，其主要功能是將外加中頻信號與頻率合成器產生的本振信號進行上變頻至EHF頻段射頻信號，并進行濾波和驅動放大輸出。輸出信號送至功放模塊進行功率放大后饋入天線發射。

1　上變頻器的設計目標與實現方案

1.1設計目標

本設計的目標是實現一種通用的EHF頻段上變頻模塊，可配合不同發射功率的功放模塊實現用戶可定制發射功率的發射機。根據發射機整機指標分配，該上變頻模塊的的電器指標為：

中頻輸入頻率：2.6GHz～4.6GHz；

射頻輸出頻率：41GHz～43GHz；

頻譜特性：不倒置；

雜散輸出：≤-63dBc（帶外）；

輸出功率：≥10dBm

變頻增益：≥-5dB

輸出結構：BJ400波導

1.2實現方案

（1）總體方案

本設計總體電路設計如圖2所示。

其增益和1dB壓縮點的鏈路計算如表1所示。

其中波導微帶轉換、波導濾波器與上變頻器腔體一體化設計，而微帶線，微波集成電路用導電銀漿直接粘接在上變頻器腔體上，再用金絲鍵合工藝相互連接。從而實現上變頻器的一體化，小型化設計。

（2）混頻器設計選型

本設備采取一次變頻方案。對于上變頻混頻，我們可以通過加法或減法兩種方法實從中頻信號到射頻信號現頻譜搬移：

加法：fIF+fLO=fRF，此時的頻譜特性是不倒置的，即輸入頻率越高，輸出頻率越高。

減法：fLO-fIF=fRF，此時的頻譜特性是倒置的，即輸入頻率越高，輸出頻率越高。

根據設計要求，頻譜特性是為不倒置，故采用加法，fLO=fRF-fIF=41GHz-2.6GHz=38.4GHz。

該本振頻率較高，從而造成產生本振信號的頻率合成器實現起來較為復雜。為降低頻率合成器設計難度，決定選用分諧波混頻器，經過器件選型，最后決定選用Hittite公司生產的HMC1093四次諧波分諧波混頻器，該設計只需輸入理論本振頻率的1/4頻率，即9.6GHz。

根據器件資料，HMC1093在工作頻段的變頻損耗最大為13dB，1dB壓縮點輸入功率為18dBm，1dB壓縮點輸出功率≥4dBm。另外，該芯片推薦本振信號輸入功率為-1dBm±4dB。

（3）驅動放大器選型

由于方案選用了插損較小波導濾波器，若選用合適的驅動放大器，只需要選用指標合適的驅動放大器，就可以只用一個驅動放大器即可實現指標要求。從而降低了了設計復雜度和成本。

由于EHF頻段射頻芯片面臨對華限運、貨期不穩定等問題，在滿足指標要求前提下，綜合貨期、成本、進貨渠道等因素，選用Triquint公司生產的TGA4521，根據器件資料，TGA4521在工作頻段的增益為16dB，1dB壓縮點輸出功率≥23dBm。

（4）匹配衰減器

根據器件資料，HMC1093在工作頻段內輸出回波損耗最大為-6dB，而TGA4521在工作頻段內輸入回波損耗最大為-3dB，由于回波損耗均較大，兩者之間直接匹配將存在阻抗失配的問題，為改善兩者之間的匹配，需要在之間加入一個匹配衰減器。比較各種該頻段衰減器指標，選定Hittite公司生產的HMC653，該芯片為3dB衰減器，輸入、輸出回波損耗為-22.1dB。

圖2　EHF頻段上變頻器電路圖

表1　鏈路計算表

（5）波導濾波器設計

根據各器件資料，該設計的主要雜散為HMC1093產生的4LO雜散信號，頻率為 38.4GHz。根據HMC1093器件資料，4LO雜散到射頻輸出端隔離度為15dB，按推薦本振信號輸入功率為-1dBm，此時4LO雜散信號在在射頻輸出端的輸出功率為-1dBm-15dB=-16dBm，在HMC1093以1dB壓縮點輸出功率4dBm發射時，雜散抑制為-16dBm-4dBm=-20dBc。故如需要滿足上變頻器雜散≤-60dBc的指標，需雜散對38.4GHz的信號抑制至少-60dBc-（-20dBc）=-40dB。考慮必要的設計余量，對濾波器提出的指標要求是：

通帶：40.9GHz～43.1GHz

通帶插損：≥-1dBm

抑制：≤-45dB@38.4GHz。

波導濾波器是利用波導傳輸線和波導阻抗變換結構構成的調諧結構組成的濾波器，波導濾波器具有插損低、抑制高、溫度特性好、加工難度低、成本低等優點，在毫米波頻段，波導濾波器結構也較小。

最常見的波導濾波器實現形式是采用串聯耦合諧振器帶通濾波器結構（圖3所示），以半波長波導段做為串聯諧振器，以單邊插入膜片、雙邊插入膜片或打入銷釘等形式在波導內加入不連續性（圖4所示），實現并聯電抗結構作為諧振器間的耦合結構，從而實現濾波器器結構。

圖3　串聯耦合諧振器帶通濾波器

圖4　波導膜片不連續性及其等效電路

波導濾波器仿真軟件通常用到高頻電磁仿真軟件如HFSS等，HFSS的原理是采用有限元法對波導結構進行3D電磁計算，該算法結果較為準確，但計算量較大，如對模型進行優化，程序運行時間較長。

μWave Wizard是一款偽3D仿真設計軟件，其原理是通過理論計算各波導結構的S參數數據，然后按照電路計算的方法來得到整個電路的S參數，但該軟件準確度較HFSS差。可引入該軟件進行輔助設計，在用HFSS對設計進行修正。

具體采用的設計步驟是：

（1）使用μWave Wizard的濾波器設計工具，按設計要求填寫濾波器參數，并選則適當的膜片類型，程序會自動計算滿足要求的濾波器設計。

（2）按照該結果在HFSS上進行建模和仿真，得到的濾波器通帶中心頻率一般與期望結果有所差異。

（3）根據差異調整μWave Wizard濾波器設計工具中的頻率參數，重復步驟（1）、（2）直至HFSS仿真得到期望的濾波器響應曲線。

圖5為生成最終設計結果μWave Wizard濾波器設計工具參數設置，圖6為μWave Wizard對最終設計波導濾波器計算的濾波器響應曲線。

圖5　濾波器設計工具參數設置

圖6　μWave Wizard計算結果

圖7為按μWave Wizard設計的波導濾波器在HFSS上3D建模模型，圖8為HFSS對該濾波器模型仿真結果。

圖7　波導濾波器HFSS模型

圖8　HFSS對波導濾波器仿真結果

對比圖6和圖8結果可見，更接近實際的HFSS仿真結果與μWave Wizard理論計算結果相比，濾波器通帶中心頻率更高，但任然可以得到較為理想濾波器響應曲線，故用μWave Wizard指導波導濾波器設計可行。由于μWave Wizard濾波器設計工具運算速度較快，用以輔助波導濾波器設計可大大提高波導濾波器設計效率。

（6）波導微帶轉換設計

在毫米波頻段，主要的傳輸線有波導和平面傳輸線（以微帶線最為常用），如何實現低損耗的波導與微帶線的轉換對于毫米波設備性能非常重要。由于結構的限制，本設計采用了絕緣子作為探針的波導-同軸-微帶結構進行轉換。圖9為對波導-同軸探針結構在HFSS上進行3D建模設計。其仿真結果如圖10所示。

由仿真結果可見，該設計插損＜0.05dB，回波損耗＞25dB。

為盡量降低同軸部分的插損，該設計選用的是玻璃絕緣子。玻璃絕緣子使用鋼化玻璃作為介質。與瓷介質絕緣子相比，玻璃絕緣子具有截止頻率高，高頻信號損耗小，機械強度高，電氣性能穩定、壽命長等優點。圖

11為焊裝于結構件上的玻璃絕緣子。

圖9　波導-同軸探針結構HFSS模型

圖10　波導-同軸探針結構仿真結果

圖11　玻璃絕緣子

2　結語

根據本方案設計的EHF頻段上變頻器，性能指標全面滿足要求，可通用于不同輸出功率的EHF頻段發射機上。EHF頻段上變頻器是EHF頻段發射機、EHF頻段衛通通信地球站設備的重要組成部分，其研制成功對于為EHF頻段軍事衛星通信應用，和下一代衛星通信系統的研制奠定基礎。

［1］陳邦媛.射頻通信電路.北京：科學出版社，2002.

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［4］賈世旺.EHF頻段衛星通信上行鏈路關鍵技術研究：工程碩士學位論文.成都：電子科技大學，2012.

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Satellite Communication；EHF-Band；Up-Converter；Spurious；Waveguide

Design of a Kind of Minitype EHF-Band Up-Converter

OU Yu
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663）

1007-1423（2015）22-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.22.017

歐雨（1983-），男，四川自貢人，碩士，助理工程師，研究方向為衛星通信、微波毫米波電路等

2015-07-07

2015-07-28

闡述一種EHF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EHF頻段射頻信號。采用波導濾波器、微帶-波導轉換與平面電路部分一體化設計方案，實現了該模塊的小型化。該設計方法能夠廣泛應用于衛星通信地球站的上行鏈路。

衛星通信；EHF頻段；上變頻器；波導

Describes a achievement to design a kind of minitype EHF-band up-converter，which converts S-band IF signal to EHF-band RF signal by once frequency conversion.The waveguild filter is ingrated into the structure of the Up-converter as well as the waveguide-to-microstrip transition and planar circuit.The design method can be used in up-link of satellite communications.