寬帶Ka頻段下頻段器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

史本忠

摘 要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種用于遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的寬帶Ka頻段下變頻器。采用低本振的二次變頻方式先將Ka頻段（25～27.5 GHz，任意1 GHz帶寬）射頻信號(hào)下變頻至X頻段（7.5～8.5 GHz）射頻信號(hào)，再經(jīng)X頻段下變頻至1 200±500 MHz中頻信號(hào)。本振選用鎖相環(huán)方式實(shí)現(xiàn)，具有高性能、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備已用于實(shí)際工程中，測(cè)試結(jié)果可滿足遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)寬帶Ka頻段下變頻器的技術(shù)需求。

關(guān)鍵詞：遙感衛(wèi)星；接收系統(tǒng)；Ka頻段；寬帶；下變頻器

中圖分類號(hào)：TN927 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）11-00-02

0 引 言

遙感衛(wèi)星星地鏈路需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大，所占用的帶寬也隨之更寬，遙感信息與數(shù)據(jù)傳輸能力之間的矛盾日益凸顯[1，2]。Ka頻段可用的帶寬可以滿足較大的傳輸帶寬和較高碼速率的傳輸需要，已成為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展方向[3，4]。包括我國(guó)在內(nèi)的諸多國(guó)家已在中繼衛(wèi)星、通信衛(wèi)星采用Ka頻段下傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)，而我國(guó)也將在低軌遙感衛(wèi)星上采用Ka頻段下傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

目前，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)普遍采用S/X頻段進(jìn)行下傳，而相應(yīng)的地面接收系統(tǒng)也基于S/X頻段來建設(shè)。為了解決遙感信息與星地鏈路數(shù)據(jù)傳輸能力之間的矛盾，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外航天任務(wù)已由現(xiàn)在的S/X頻段向Ka頻段轉(zhuǎn)變。因此對(duì)下行鏈路的下變頻器的研制提出更高、更新的技術(shù)要求。

寬帶Ka頻段下變頻器是衛(wèi)星地面站接收系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。針對(duì)上述新的技術(shù)需求并考慮未來的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種寬帶Ka頻段下變頻器。采用低本振的二次變頻技術(shù)，將Ka頻段（25～27.5 GHz）1 GHz帶寬射頻信號(hào)下變頻至1.2 GHz±500 MHz中頻信號(hào)。兩個(gè)本振源均采用低本振，變頻過程無頻譜倒置。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將Ka下變頻器分成Ka-X下變頻器模塊與X-IF下變頻器模塊，且X頻段下變頻器模塊輸入射頻按7.5～9.0 GHz設(shè)計(jì)，以滿足X頻段下變頻模塊兼容接收其他X頻段衛(wèi)星的要求。

1 方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1.1 中頻頻率及干擾分析

由于Ka頻段接收鏈路帶寬需滿足1 GHz，因此目前遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)常用的720 MHz中頻，±250 MHz帶寬已不能滿足此技術(shù)的需求。同時(shí)為方便與當(dāng)前在用的調(diào)制解調(diào)器連接，提高設(shè)備的通用化程度，中頻設(shè)計(jì)為1 200 MHz± 500 MHz[5]。

寬帶Ka頻段下變頻器采用二次變頻技術(shù)，先將Ka頻段（2527.5 GHz，任意1 GHz帶寬）射頻信號(hào)與本振頻率為17.5 GHz 19 GHz的信號(hào)進(jìn)行混頻，輸出的X頻段（7.5

8.5 GHz）射頻信號(hào)再與本振頻率為6 3007 800 MHz的信號(hào)混頻得到1.2 GHz±500 MHz中頻信號(hào)。

下變頻器用來選擇工作頻段，并將載波頻率降低到中頻。變頻器的二次變頻通過混頻器實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換，且在頻率轉(zhuǎn)換過程中將產(chǎn)生組合頻率干擾等[6]。為防止這些頻率成分形成干擾，實(shí)現(xiàn)如期的接收功能，最優(yōu)的方法是保證組合頻率產(chǎn)物不落入中頻范圍內(nèi)或干擾電平較低，從而保證系統(tǒng)的接收性能。

采用ADS對(duì)上述下變頻方式的組合干擾進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，對(duì)Ka-X下變頻器的組合干擾均遠(yuǎn)離所用頻帶。對(duì)X-IF下變頻器而言，2RF-2LO落在帶內(nèi)，即諧波落在帶內(nèi)，但抑制達(dá)到60 dBc以上，可以滿足系統(tǒng)接收性能要求；其他組合干擾均較小或遠(yuǎn)離所用頻帶。

1.2 Ka-X下變頻模塊

Ka-X下變頻模塊主要將25～27.50 GHz任意1 GHz帶寬信號(hào)下變到7.5～8.5 GHz。Ka-X下變頻模塊框圖如圖1所示。

2527.5 GHz下行信號(hào)先經(jīng)過隔離器，以確保良好的輸入駐波，然后由帶通濾波器濾除帶外無關(guān)干擾，并確保鏡頻抑制及中頻抑制指標(biāo)，同時(shí)濾除本振的返向泄露。該鏈路鏡像頻率為911.5 GHz，濾波器對(duì)該頻段的抑制在75 dBc以上。同時(shí)也對(duì)7.58.5 GHz頻段有75 dBc以上的抑制。

低噪放的1.3 dB低噪聲系數(shù)和24 dB增益可以確保鏈路噪聲系數(shù)指標(biāo)滿足要求。再經(jīng)隔離器對(duì)混頻器的駐波做一定改善，保證帶內(nèi)平坦度等指標(biāo)。同時(shí)鏈路所選的其它器件在相應(yīng)頻段上有良好的平坦度指標(biāo)，可保證帶內(nèi)平坦度。

混頻器選用雙平衡混頻器，對(duì)偶次組合雜散有很好的抑制效果?；祛l輸出端接隔離器，以做良好的匹配，確保平坦度等指標(biāo)。再經(jīng)中頻帶通濾波器濾除射頻泄露、本振泄露和各階組合雜散。該濾波器的帶外抑制度在70 dBc以上。

采用數(shù)控衰減器進(jìn)行增益調(diào)整，衰減范圍為30 dB，步進(jìn)為1 dB，這樣可以靈活調(diào)整鏈路增益，避免下級(jí)鏈路飽和。

末級(jí)放大器選擇高增益、高三階、高輸出P-1dB放大器，在該應(yīng)用頻段具有良好的增益平坦度特性。

最后加帶通濾波器來濾除諧波，確保諧波抑制指標(biāo)滿足60 dBc及良好的輸出駐波。

本振頻率為17.5 GHz19 GHz，選用環(huán)內(nèi)混頻鎖相環(huán)方式實(shí)現(xiàn)，具有高性能、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。采用100 MHz恒溫晶振為鎖相環(huán)做參考時(shí)鐘，以100 MHz為鑒相頻率，首先采用15 GHz的PDRO取樣鎖相，和鎖相環(huán)在環(huán)內(nèi)混頻，產(chǎn)生2.5 GHz4 GHz回環(huán)信號(hào)由鑒相器鑒相，輸出17.5 GHz

19 GHz信號(hào)。鎖相芯片采用HITTITE的鑒相器，它的歸一化噪底為-230 dBc/Hz。第一個(gè)鎖相環(huán)為寬帶輸出，所選VCO具有寬頻帶、低相位噪聲的特點(diǎn)。環(huán)路濾波器采用低噪聲運(yùn)算放大器AD797構(gòu)成有源環(huán)路濾波器，可以很好的降低運(yùn)放對(duì)相位噪聲的惡化。方案采用了雙環(huán)結(jié)構(gòu)，通過輔助環(huán)降低主環(huán)分頻器，從而改善相位噪聲性能。Ka-X下變頻模塊本振框圖如圖2所示。

1.3 X-IF下變頻模塊

X-IF下變頻模塊主要將7.59.0 GHz信號(hào)下變到1 200 MHz

±500 MHz。X-IF下變頻模塊框圖如圖3所示。

X-IF下變頻器模塊輸入端為隔離器，可以有效保證產(chǎn)品的駐波要求。輸出端接濾波器，濾波器的駐波要求小于1.3，并接電阻型匹配電路，確保輸出駐波。

通道上所選擇的放大器、混頻器、濾波器等，在所使用的頻段上具有很好的平坦度指標(biāo)，各器件間也做了良好的匹配，可以確保增益平坦度要求。

射頻輸入濾波器通頻帶為7.5～9.0 GHz，需要對(duì)鏡像頻率及本振返向泄露進(jìn)行抑制。該方案中鏡像頻率為5 100～

6 600 MHz，濾波器在該頻段的抑制可以達(dá)到70 dBc以上，滿足鏡像抑制大于60 dBc的要求。

帶外雜散抑制主要由中頻濾波器保證。該下變頻模塊采用一次變頻，2RF-2LO落在帶內(nèi)，即諧波落在帶內(nèi)，但抑制達(dá)到60 dBc以上，可以滿足系統(tǒng)接收性能要求；其他組合干擾均較小，或遠(yuǎn)離所用頻帶。

混頻器有20 dB的LO-RF隔離，放大器有35 dB的反向隔離，2只隔離器共50 dB的隔離，可以計(jì)算出射頻輸入端的本振泄露電平在-80 dBm以下。

增益調(diào)整采用數(shù)控衰減器HMC472，可滿足30 dB調(diào)整范圍，1 dB步進(jìn)要求。

本振頻率為6 3007 800 MHz，采用鎖相環(huán)方式實(shí)現(xiàn)。采用100 MHz恒溫晶振為鎖相環(huán)做參考時(shí)鐘，以100 MHz為鑒相頻率。鑒相器采用HITTITE的HMC704，它的歸一化噪底為-230 dBc/Hz。VCO選用HMC507，它具有寬頻帶、低相位噪聲的特點(diǎn)，頻率可覆蓋6 3007 800 MHz，相位噪聲在100 kHz處可達(dá)到-115 dBc/Hz。環(huán)路濾波器采用低噪聲運(yùn)算放大器AD797構(gòu)成有源環(huán)路濾波器，可以很好地降低運(yùn)放對(duì)相位噪聲的惡化。X-IF下變頻模塊本振框圖如圖4所示。

2 測(cè)試結(jié)果

基本指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所列。測(cè)試結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的技術(shù)要求。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種寬帶Ka頻段下變頻器。Ka下變頻器分成Ka-X下變頻器模塊與X-IF下變頻器模塊，采用低本振的二次變頻技術(shù)，先將Ka頻段（25～27.5 GHz，任意1 GHz帶寬）射頻信號(hào)下變頻至X頻段（7.5～8.5 GHz）射頻信號(hào)，再經(jīng)X頻段下變頻至1.2 GHz中頻信號(hào)。X頻段下變頻器模塊輸入射頻按7.5～9.0 GHz設(shè)計(jì)，以滿足X頻段下變頻模塊兼容性接收其他X頻段衛(wèi)星的要求。

該設(shè)備已用于實(shí)際工程中，測(cè)試結(jié)果滿足遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的寬帶Ka頻段下變頻器設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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