Ka/X波段一體化上下變頻組件的研究

楊舟 中電科儀器儀表有限公司

1 、鎖相環(huán)技術(shù)的基本原理

文獻詳細分析和解釋了具有相位同步的電路的操作原理，組件模塊和具有相位同步的各種類型的電路，以及設(shè)計具有相位同步的電路的過程的示例和討論,簡要分析鎖相環(huán)技術(shù)。PLL可以被認為是作用于壓控振蕩器的控制系統(tǒng)，因此2u信號的頻率與1u信號的頻率一致，并且2u信號的相位幾乎等于1u信號的相位或者與最后的偏差恒定。因此，PLL可以被認為是相位信號控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，壓控振蕩器的輸出信號的相位被鎖定到參考信號的相位;控制系統(tǒng)通常被稱為相位自動頻率控制。

2 、混頻器的基本原理

首先，混合器的主要技術(shù)特征通常用于使用混合器的過程中。技術(shù)指標：轉(zhuǎn)換損耗，端口回波損耗，噪聲系數(shù)，帶寬等。這些特性會因應(yīng)用而異，其次，微波放大器的主要技術(shù)特性有很多性能指標，這些性能指標直接影響放大器性能。在眾多性能指標中，最重要的參數(shù)是：工作頻率，增益平坦度和噪聲系數(shù)。

3 、Ka/X波段一體化上下變頻組件的方案設(shè)計

3.1 上變頻單元設(shè)計方案

鑒于混頻器轉(zhuǎn)換損耗和濾波器插入損耗，假設(shè)IF的輸入信號功率僅約為-50dBm，則系統(tǒng)所需的信道增益僅為30dB，整個信道的增益要求約為43dB。可以看到，即使將通道增益分配給IF線，混頻器也不會飽和。因此，該電路使用級聯(lián)三級IF放大器在IF線上分配信道增益。相同的放大器用于3級IF放大器。這種設(shè)計簡化了電路結(jié)構(gòu)并降低了系統(tǒng)成本。系統(tǒng)規(guī)范要求頻率轉(zhuǎn)換通道的功率電平小于3dB，這意味著整個電路必須匹配良好，減少路徑中的反射信號并降低端口的VSWR。此外，在選擇器件時，必須注意盡可能高的增益或衰減平面。由于混頻器的非線性效應(yīng)，混頻器的輸出RF端口將不可避免地具有更多分支，例如本地振蕩器的泄漏，以及由本地振蕩器和IF信號產(chǎn)生的不同級別的寄生信號。因此，有必要在混合輸出端口上增加一個帶通濾波器，以濾除雜散信號，以滿足逆變器單元對雜散信號抑制的要求。具體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 上變頻的設(shè)計圖

3.2 混頻器

作為逆變器系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，混頻器的選擇是最重要的設(shè)計。該設(shè)計使用平面混合集成電路，因此所選擇的混合設(shè)備必須是用于表面安裝的殼體中的混合器。其次，該設(shè)計要求在整個工作頻帶內(nèi)帶內(nèi)功率均勻性不超過3dB。因此，在選擇混頻器時，除了考慮互調(diào)指示器（例如1dB壓縮點和三階交叉點）之外，還應(yīng)考慮混頻。港口轉(zhuǎn)換損失和回程損失的指標。基于上述要求，該設(shè)計采用HittiteMicrowave開發(fā)的無源雙平衡混頻器MMICHMC560LM3。該芯片采用GaAs技術(shù)制造，可用于具有上下轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。微電路具有寬頻帶，工作頻率為24～40GHz，中頻工作頻率范圍為～17GHz。由于集成了平衡芯片，該混頻器具有高隔離度，35dB的LO-RF絕緣，30dB的LO-IF絕緣和20dB的RF-IF絕緣。從微電路的特性表中可以看出，微電路轉(zhuǎn)換期間的損耗是10dB，并且在34-35.2GHz的工作頻帶中轉(zhuǎn)換損耗的平坦度小于1dB。輸入1dB處的芯片壓縮點為13dBm，三階互調(diào)截止點為18dBm，可滿足應(yīng)用要求。

3.3 電源單元設(shè)計

由于用戶對整個系統(tǒng)所需的輸入電壓為+12V，因此與先前的蜂窩模塊設(shè)計相比，器件所需的工作電壓可被視為+12V，+5V和+3.3V，并且還因為放大器必須提供柵極，負電壓是偏置的，因此還需要-5V的工作電壓。因此，設(shè)計必須設(shè)計合適的電源系統(tǒng)，以提供每個單元正常運行所需的能量。

4 、實現(xiàn)和測試變頻組件

4.1 變頻組件版圖

根據(jù)設(shè)計研究，元件的兩側(cè)分別連接，以達到減小體積的目的。元件的正面作為鎖相源元件，分為本振和電源，背面可以延伸。部分地，濾波單元分為兩個高頻轉(zhuǎn)換單元和低頻轉(zhuǎn)換單元。最后，這種設(shè)計的小型化通過雙向組件的設(shè)計和布置簡化了電源的設(shè)計，并且布線更加方便和集成，如圖2所示。

圖2 變頻組件正面版圖

4.2 相關(guān)組件設(shè)計

與以前的結(jié)構(gòu)部件相比，體積減小，結(jié)構(gòu)更緊湊。該組件使用一次成型的毫米微波芯片，結(jié)合回流焊接工藝，并將基板焊接到Duroid5880和8043SOB芯片上。該焊接技術(shù)具有穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，并減少了電路的異常。類似地，缺點是基板和空腔之間的粘附相對緊密，并且當過度散熱速度導(dǎo)致異常情況時，更換芯片是麻煩且難以操作的。應(yīng)該注意的是，為了減少輻射造成的損壞并減少組裝部件時通道中的突刺，必須在相關(guān)部件上加入錫箔。