毫米波上變頻模塊的仿真與設計

2020-07-27 16:44:00雷興旺原慶尹華

現代信息科技 2020年5期

雷興旺　原慶　尹華

摘? 要：針對相控陣雷達射頻前端系統中變頻模塊設計周期長，雜散無法提前預估的特點，采用了一種基于ADS軟件仿真的方法進行先行計算。并在軟件仿真基礎上，進行了濾波器的設計，對特定的雜散點進行分析抑制，以便達到系統的整體性能要求。該方法可以對不同頻段的上變頻模塊雜散進行計算仿真，提前預估雜散，對濾波器性能進行特定的設計，避免設計中的反復修改。且可在仿真鏈路中加入放大器等器件，計算模塊增益等指標。節約了成本，縮短了項目周期。

關鍵詞：上變頻模塊;混頻器;濾波器;ADS仿真

中圖分類號：TN773? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）05-0042-04

Simulation and Design of Millimeter Wave Up-Conversion Module

LEI Xingwang，YUAN Qing，YIN Hua

（Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing? 210016，China）

Abstract：In view of the characteristics of long design cycle of frequency conversion module in RF front-end system of phased array radar and the unpredictability of stray，a method based on ADS software simulation is adopted for the first calculation. On the basis of software simulation，the design of the filter is carried out，and the specific spurious points are analyzed and suppressed，so as to achieve the overall performance of the system. This method can be used to simulate the stray of up-conversion module in different frequency bands，estimate the stray in advance，and design the performance of the filter in order to avoid repeated modification. In addition，amplifiers and other devices can be added into the simulation link to calculate module gain and other indicators. And save cost and shorten project cycle.

Keywords：up-conversion module;mixer;filter;simulation of ADS

0? 引? 言

變頻模塊作為相控陣雷達中的重要器件，其性能指標直接影響雷達的整體性能。但是由于變頻模塊種類多，頻率、增益、輸出功率、雜散等性能指標不同，導致設計不同種類的指標性能滿足整體需求的模塊所需的周期較長。因此，探索一種通用的變頻模塊的設計方法，實現不同類型變頻模塊的快速設計非常有必要[1]。

本文針對實際工作中的遇到的一種變頻模塊，通過采用安捷倫公司的ADS軟件仿真的方法逐步分析了模塊中出現的雜散[2-4]，并將設計的指標要求與雜散進行對比，對濾波器的帶外抑制進行有針對性的設計。所設計的濾波器使用矢量網絡分析儀進行測試，將S參數導入仿真鏈路中，可以看出鏈路雜散值，縮短了設計時間，節約了設計成本。

1? 上變頻模塊的原理及分析設計

1.1? 設計原理框圖

毫米波上變頻模塊主要包含：混頻器、中頻濾波器、射頻濾波器、放大器、本振濾波器、倍頻放大器，以及電源調制等部分[5]。首先將C波段中頻信號與經過倍頻放大的本振信號通過混頻器混頻出需要的射頻信號，通過射頻濾波器濾除相應的帶內帶外的雜散信號，并且放大器將變頻之后的射頻信號放大，達到所需的信號幅度功率。毫米波上變頻模塊整體的射頻鏈路如圖1所示。

上變頻模塊頻率分布：中頻（IF）信號：6～8 GHz;本振（LO）信號：14 GHz;射頻（RF）輸出信號：34～36 GHz;雜散要求：帶內≥60 dBc（34～36 GHz），帶外≥35 dBc（20～34 GHz & 36～50 GHz）。

倍頻器采用Hittite公司生產的HMC578A芯片，此芯片兼有倍頻以及放大器功能，可以將倍頻信號進行放大，達到混頻器對本振輸入功率的要求，節省一級本振放大器，節約成本。且采用裸片的形式，節省模塊的空間，縮小模塊尺寸，便于小型化設計。

混頻器采用國產的無源雙平衡混頻器，LO和RF頻率為19～40 GHz，中頻IF頻率范圍為DC～20 GHz，變頻損耗為9 dB，本振射頻端口隔離度為30 dB。

1.2? 上變頻模塊雜散分量分析

鏈路中采用了混頻器對信號頻率進行變換。混頻器是一種具有三個端口的射頻器件，為達到頻率變換的目標，主要采用非線性器件，通常是采用二極管的非線性特性，從而進行功能設計。主要是通過將輸入的兩個信號進行相乘來實現。但是由于混頻器本身的非線性，會產生種類繁多的諧波或輸入頻率的其他的頻率分量[6]，如式所示：

f_RF=nf_LO+mf_IF

其中：n，m=0，±1，±2，±3，…;fLO為本振信號頻率;fIF為中頻輸入信號頻率;fRF為射頻輸出信號頻率。

倍頻器是在射頻系統中被廣泛使用的器件，主要功能是能夠把需要的高頻信號通過輸入較低頻率的信號通過二倍頻、三倍頻等倍頻形式得到。倍頻器屬于兩端口器件，主要利用器件的非線性產生的諧波，得到所需的信號頻率。倍頻器輸入信號：Vicosωit，經過倍頻器后，輸出信號頻率為：Vicosnωit，其中n為正整數。

上變頻模塊中本振信號經過倍頻器后，使用本振頻率的二倍頻信號與中頻信號混頻。由于仿真軟件的局限性，無法將信號的諧波設置為無窮多。且信號頻率的幅度是諧波次數越高，幅度值越小，對系統的影響越小。因此對仿真參數中本振信號以及中頻信號分別設置為三組參數：基波信號、二次諧波信號、三次諧波信號。采用ADS軟件對混頻器雜散分量進行仿真，仿真電路以及參數設置如圖2所示，仿真結果如圖3所示。

分析圖3的仿真結果可以看出，中頻信號ωIF=6.4 GHz時，在帶內34.0～36.0 GHz存在雜散信號35.6 GHz，且此雜散信號主要是本振信號的諧波與中頻信號在混頻器中產生，計算公式為：f雜散=35.60=-1×fIF+3×fLO。混頻器的本振信號是14.0 GHz的二倍頻信號，因此可以在本振信號進入混頻器之前增加本振濾波器，用以抑制28.0 GHz外的基波信號，以及三倍頻、四倍頻等干擾的諧波信號。通過分析混頻器中產生的雜散信號，對本振濾波器提出要求，主要抑制本振信號的三倍頻，這樣就可以對仿真結果中的雜散信號進行抑制。

將設計好的本振濾波器使用安捷倫公司的矢量網絡分析儀進行探針測試。測試的S參數導入ADS軟件，并將其制作成元器件，加入圖2的本振鏈路中，仿真結果如圖4所示。

通過分析仿真結果可以看出，增加的本振濾波器可以對帶內雜散進行有效的抑制，但是對其他的與倍頻無關的雜散信號沒有起到抑制作用。

無源雙平衡混頻器對本振信號輸入功率要求為10～?13 dBm。本振（LO）到射頻（RF）端口隔離度為30 dB。因RF端口的由LO端口泄漏過來的本振信號幅度值相對于射頻信號也比較大，與射頻信號幅度值基本相當。分析仿真結果也可以看出，帶外雜散中本振泄漏信號較大，需對其進行抑制。考慮到模塊的使用要求，射頻濾波器的設計主要是需對本振信號進行抑制。綜合考慮帶外雜散要求，設計射頻濾波器。并將射頻濾波器的S2P文件導入，測試結果如圖5所示。

將測試的射頻濾波器S參數制作成元器件，加入射頻鏈路中，仿真電路以及參數設置如如圖6所示。

鏈路仿真結果如圖7所示。

通過仿真結果可以看出，通過增加本振濾波器、射頻濾波器可以對帶內帶外雜散進行有效的抑制，達到模塊的要求。

前面分析了鏈路中出現的雜散信號，濾波器、混頻器等都屬于無源器件，對信號都有一定的衰減。考慮到變頻模塊還需要對輸入的中頻信號有一定的放大，以便輸出射頻信號有一定的功率，滿足模塊后續的使用。根據變頻模塊原理框圖，結合指標要求，在射頻RF鏈路中加入合適的放大器，以滿足整個鏈路的增益、輸出功率要求。

2? 毫米波上變頻模塊的實現

結合前面的分析仿真，并且充分考慮到模塊的機加件尺寸以及元器件的合理布局，最終上變頻模塊實物如圖8所示。經過頻譜儀測試模塊雜散，其性能指標可滿足指標要求。

3? 結? 論

本文詳細介紹了毫米波上變頻模塊的仿真與設計，將鏈路設計原理進行分析研究后，著重介紹了對倍頻器、混頻器的雜散的軟件仿真分析方法，并通過逐步增加濾波器的方法對帶內帶外雜散進行了有效的抑制。最終依據仿真分析制作了模塊實物，已實現了后續的生產。

針對后續類似的不同頻段以及增益、功率的上變頻模塊的雜散及其抑制可采用本文的仿真分析方法，節約單獨測試混頻器的雜散的方法，提高設計效率。

參考文獻：

[1] 喻夢霞，李桂萍.微波固態電路 [M].成都：電子科技大學出版社，2008.

[2] 甄可龍，唐云菲，呂善偉.基于ADS的毫米波收發組件設計及仿真 [J].計算機與網絡，2014，40（14）：69-72.