一種小型化的K波段下變頻器設(shè)計

孫書良

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

K波段信號頻率覆蓋18～26.5 GHz，頻率較高。隨著單片集成電路的發(fā)展，一次變頻能夠進行下變頻[1]處理，但因為中頻頻率較低，無法進行鏡像頻率抑制，會影響接收信號的信噪比，所以目前設(shè)備往往采用2次變頻處理。由于設(shè)備相對復(fù)雜，相關(guān)設(shè)備供應(yīng)廠家通常采用1U機箱形式，設(shè)備形態(tài)較大，不利于設(shè)備集成。

星間測控鏈路采用收發(fā)同頻分時體制，射頻頻率約為22.587 GHz，中頻信號頻率要求為70 MHz。整個K波段下變頻器采用PXI板卡結(jié)構(gòu)，占用1個槽位，對下變頻器尺寸及性能提出了很高的要求。

通過對PXI板卡結(jié)構(gòu)分析，針對性的仿真設(shè)計鏡像抑制濾波器，設(shè)計應(yīng)用低噪聲鎖相環(huán)(PLL)，合理結(jié)構(gòu)布局，確保設(shè)備可以實現(xiàn)。

1 K波段下變頻的整體設(shè)計

K波段下變頻采用2次變頻設(shè)計，本振均為低本振。下變頻器的整體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 K波段下變頻器整體設(shè)計框圖Fig.1 Overall design diagram of K-band down converter

圖1中射頻輸入頻率為22.587 GHz，信號首先經(jīng)過第一級低噪聲放大器后進入鏡像抑制濾波器，然后再經(jīng)過增益放大后進入第一級混頻器。第一級混頻器選用無源混頻器HMC292LC3B(AD)，該器件RF頻率14～30 GHz，IF頻率：DC-8 GHz，LO頻率：14～30 GHz，LO驅(qū)動電平：9～15 dBm。RF低噪聲放大器與增益放大器選用HMC517LC4(AD)，頻率覆蓋17～26 GHz，增益：19 dB，噪聲系數(shù)：2.5 dB，滿足設(shè)計要求。K波段低噪聲放大器設(shè)計要小型化[2-4]，嚴格按照毫米波設(shè)計規(guī)則，腔體高度不能太高，但是要留有安裝吸波材料的空間，實踐證明2級K波段LNA(MMIC)串聯(lián)后，會存在自激現(xiàn)象，蓋板加貼吸波材料能夠完美解決該問題，降低設(shè)計難度。一中頻放大器選用PMA3-83LN+(MINI)，頻率覆蓋0.5～8.0 GHz，噪聲系數(shù)：1.3 dB，增益20 dB，P-1：17 dBm，具有較低的噪聲系數(shù)，較高的增益，較大的1 dB壓縮點輸出功率，同時射頻帶寬較寬，非常適合一中頻增益放大使用。一中頻濾波器選用介質(zhì)濾波器，這類濾波器體積小，Q值較LC與聲表面波濾波器高，具有良好的傳輸特性，群時延特性穩(wěn)定。考慮到衛(wèi)星通信中測距穩(wěn)定性要求，選用濾波器要選用群時延特性溫度穩(wěn)定性較好的。第二級變頻混頻器選用SYM-63LH+(MINI)，該器件射頻與本振頻率覆1～6 000 MHz，IF頻率：DC-1 000 MHz，LO電平：10 dBm，具備良好的本振射頻隔離度與本振中頻隔離度，同時頻率范圍較寬，適合靈活配置。70 MHz中頻放大器選用RAM-8A+(MINI)，頻率覆蓋DC-1 GHz，增益：31.5 dB，P-1：12.6 dBm，滿足使用要求。

頻率配置[5]為：一本振頻率：18 GHz，一中頻頻率：4.587 GHz，二本振頻率：4.517 GHz，中頻頻率70 MHz。

2 鏡像抑制濾波器設(shè)計

鏡像抑制濾波器中心頻率為22.587 GHz，頻率高、波長短、環(huán)境溫度影響大。本文設(shè)計一款溫度穩(wěn)定性好的高Q濾波器[6]，腔體濾波器滿足該要求。K波段腔體濾波器設(shè)計指標如下：

① 中心頻率：22.587 84 GHz；

② 帶寬：200 MHz；

③ 對f0±1 GHz信號抑制：≥80 dB；

④ 駐波：≤1.5∶1；

⑤ 插損：≤3 dB。

根據(jù)以上技術(shù)指標，通過Ansoft Designer計算確定濾波器設(shè)計參數(shù)[7-11]如下：

① 濾波器諧振桿數(shù)：5；

② Q值：2 600；

③ 耦合系數(shù)：

M1，2= 0.011 492 857 51，

M2，3= 0.008 443 308 749，

M3，4= 0.008 443 308 749，

M4，5= 0.011 492 857 51，

External Q：73.27；

④ 回波損耗：20 dB。

2.1 HFSS建模對各參數(shù)進行仿真

2.1.1 諧振頻率、Q值與耦合系數(shù)仿真

在HFSS軟件中建立諧振腔模型和耦合系數(shù)仿真模型如圖2所示。

通過諧振腔仿真模型確定諧振腔尺寸如下：

① 諧振腔長：6.5 mm；

② 諧振腔寬：6.5 mm；

③ 諧振腔高：4 mm；

④ 調(diào)諧螺桿直徑：1.6 mm；

⑤ 調(diào)諧螺桿下沉深度：1.95 mm。

通過仿真得出以下結(jié)果：

① 諧振頻率：22.210 9 GHz；

② Q值：3 078.52

由以上仿真結(jié)果可以看出，該設(shè)計滿足指標要求，頻率偏差通過調(diào)諧螺桿進行調(diào)節(jié)[12-14]。設(shè)置槽長：2.4 mm，槽寬3～4 mm，步進0.5 mm進行方向系數(shù)掃描， 耦合系數(shù)仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 耦合系數(shù)仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of coupling coefficient

由以上仿真結(jié)果確定腔1與腔2之間槽寬3.8 mm，腔2與腔3之間的槽寬3.5 mm，頻率調(diào)諧螺桿下沉1.93 mm，耦合度調(diào)節(jié)螺桿下沉2 mm。

2.1.2 External Q值仿真

External Q 值仿真模型如圖4所示。

圖4 External Q值仿真模型Fig.4 Simulation mode of External Q value

GD11=4*Q(External Q)/(2*3.141 5*F0(GHz))

設(shè)置抽頭長度ZL為變量，從0.9～1.5 mm進行參數(shù)掃描，步進0.2 mm，得到的仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可以得出ZL初值取1 mm。

圖5 External Q值仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of External Q value

2.2 濾波器加工與實測結(jié)果

通過以上計算，形成濾波器的尺寸為48 mm×14.5 mm×7 mm，接頭采用玻珠形式，既可以在板卡內(nèi)部與其他電路焊接集成又方便調(diào)試與測試。K波段鏡頻抑制腔體濾波器實物如圖6所示。實測結(jié)果如圖7所示。

圖6 實物Fig.6 Picture of the device

圖7 實測結(jié)果Fig.7 Test results

由圖7可以看出，該濾波器滿足工程使用。

3 本振設(shè)計

本振源是下變頻的核心功能模塊，該模塊通過輸入的統(tǒng)一的系統(tǒng)時鐘10 MHz，自主產(chǎn)生變頻所需要的一本振頻率信號18 GHz以及二本振4.517 GHz。隨著RFIC的發(fā)展，集成VCO的PLL[6]是目前業(yè)界應(yīng)用的首選，這種集成鎖相芯片頻率范圍高、相位噪聲低、使用方便、調(diào)節(jié)靈活。LMX2595是TI公司推出的一款鎖相芯片，頻率覆蓋10 MHz～19 GHz，滿足以上一二本振頻率要求。在18 GHz該器件的相位噪聲特性如圖8所示。

圖8 18 GHz相位噪聲特性曲線Fig.8 Characteristic curve of 18 GHz phase noise

18 GHz本振頻率采用雙環(huán)鎖相環(huán)路設(shè)計，系統(tǒng)時鐘10 MHz首先經(jīng)過100 MHz的鎖相晶振進行鎖相，產(chǎn)生100 MHz的鎖相信號，該100 MHz的信號作為LMX2595的時鐘信號輸入，鑒相頻率采用200 MHz(LMX2595寄存器配置)以降低分頻比。從而改善遠端100 kHz以上的相位噪聲。

變頻器的相位噪聲[15-17]是由本振相位噪聲決定的，二本振頻率遠低于一本振，二本振的相位噪聲優(yōu)于一本振15 dB以上，所以整機K波段下變頻器的相位噪聲取決于一本振18 GHz。

本振采用模塊化設(shè)計，設(shè)計單獨的本振模塊尺寸為36 mm×29 mm×6 mm。

4 結(jié)構(gòu)布局

K波段板卡式下變頻器的布局如圖9所示。

圖9 K波段板卡式下變頻器布局Fig.9 Layout of K-band board card down converter

由圖9可以看出，一本振、二本振、鏡像抑制腔體濾波器及一混頻均采用模塊化設(shè)計，可以在上變頻器中復(fù)用，有利于保障設(shè)備性能指標，而且便于調(diào)試。其他的時頻鎖相及分路及二次變頻濾波放大等電路均在空白處母板上一體化設(shè)計。

5 結(jié)束語

PXI結(jié)構(gòu)的3U尺寸一個槽位的板卡尺寸為160 mm×100 mm×20 mm，通過合理的布局能夠?qū)波段下變頻器整機完美實現(xiàn)，該設(shè)計具備小型化、通用化及模塊化等特點，較以往基于脈沖取樣鎖相環(huán)路具備良好的溫度穩(wěn)定性，體積小，易于集成。通過自主設(shè)計高性能的K波段腔體濾波器，對通信系統(tǒng)信號質(zhì)量有良好的控制，具有良好的工程價值。