EHF頻段集成上變頻器研制*

張能波

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

0 引 言

目前，衛星通信的頻率主要集中在C、Ku、Ka幾個大氣衰減較小的頻帶內，但是隨著衛星通信技術的發展，衛星的軌道和頻譜越來越擁擠。相比其他頻段，極高頻(Extremely High Frequency，EHF)頻段[1-2]具有頻段寬、容量大、傳輸速率快、抗干擾能力強等優點，將會是下一代衛星通信的優選頻段。

國外對EHF頻段設備的研制較早。1994年，美國就有了Milstar系統，目前已經發展到了第三代。英國也擁有EHF頻段的Skynet系統。國外文獻研究大多集中在EHF頻段的接收、發射系統以及變頻芯片上。文獻[3]報道了一種采用GaAS工藝的EHF頻段諧波混頻芯片的研制，工作頻率43.5～50 GHz，本振抑制度大于25 dB，變頻損耗小于12 dB。

我國衛星通信設備技術研究較晚，目前軍事通信衛星地面站只覆蓋了C、Ku、Ka頻段，EHF頻段的衛星通信還處于起步階段。EHF頻段的變頻器文獻報道較少，目前大多集中在Ka頻段及以下。文獻[4]報道了一種EHF頻段上變頻器的研制，采用三次變頻方案，雜波抑制小于-55 dBc，輸出功率大于16 dBm。這種多次變頻方案結構比較復雜，體積較大。

因此，EHF頻段上變頻器[5]作為EHF發射系統的關鍵設備，有必要開展研究，為EHF頻段的衛星通信打下堅實基礎。本文采用新穎的諧波混頻結合寬帶匹配濾波電路設計技術，具有結構簡單、混頻雜散分量較少、變頻損耗與基波混頻相當，本振源制作難度低等優點，有效解決了低中頻下的雜散抑制問題；采用平行耦合濾波器對混頻雜波分量進行濾除，結構簡單，穩定性好，寄生通帶高，便于與模塊微帶集成電路集成，實現上變頻電路的一體化設計。

1 總體方案設計

本文設計的EHF頻段的上變頻器應用于20 W的EHF頻段發射機系統中。根據整機的指標要求，上變頻器的指標要求如表1所示。

表1 上變頻模塊技術指標

從指標要求看，上變頻的輸入中頻較低，2LO+2IF離帶內較近，無法用濾波器濾除，同時虛本振離帶內也較近，需要混頻器本身對虛本振和2LO+2IF抑制較高，還需要濾波器對虛本振有足夠的抑制；而帶外雜散要求60 dB，傳統的基波或者諧波混頻芯片的虛本振抑制和2LO+2IF的抑制不能滿足要求，這是本項目的難點。本文根據指標要求，設計了一款新型的諧波混頻器和易于集成的微帶濾波器，完美解決了雜散抑制的難題，同時模塊集成了衰減控制、混頻、濾波、放大等功能，實現了模塊的一體化、集成化設計，其電路組成框圖如圖1所示。

圖1 上變頻模塊電路組成框圖

根據設計指標功率、增益和雜散的要求，上變頻模塊主要組成部分包括本振匹配濾波網絡、中頻放大及匹配濾波網絡、混頻器、射頻匹配濾波網絡、驅動放大器、末級放大器等，所有電路采用微波集成電路設計，實現一體化、集成化的設計。

2 關鍵電路設計

2.1 諧波混頻器設計

混頻器是整個模塊的關鍵電路。混頻器通常使用GaAs肖特基勢壘二極管，其具有結構簡單、工作穩定、頻帶較寬，截止頻率比較高等特點。通過采用反向并聯二極管對(Anti-Paralleled Diodes Pair,APDP)來實現偶次諧波混頻[6-9]，其電路原理如圖2所示。

圖2 偶次諧波混頻器原理圖

根據二極管的伏安特性曲線，當二極管外加電壓遠大于熱電壓時，反向并聯二極管對的內部電流i1、i2和管對外部電流ic分別近似為

i1=g(vLO+vRF)=∑Amn(vLO)m(vRF)n,

(1)

i2=g(-vLO-vRF)=

∑Amn(-vLO)m(-vRF)n=

∑Amn(-1)m+n(vLO)m(vRF)n,

(2)

ic=i1-i2=

(3)

式中：函數i=g(v)為單個肖特基勢壘二極管的伏安特性函數，m、n取任意整數，VLO、VRF分別為二極管上的本振和射頻電壓分量。由式(1)～(3)可知，當|m|+|n|為偶數時，肖特基勢壘二極管對的外部電流ic=0；當|m|+|n|為奇數時，外部電流ic含有本振和射頻信號的頻譜組合分量，即ω=mωRF±nωLO。由于APDP的反對稱V-I特性，并且其制作工藝保證了兩只二極管特性的精確匹配，諧波混頻器[10-11]可以實現混頻分量中偶次組合波(包括本振和中頻偶次諧波)的良好抑制，一般可達40 dB以上，在EHF頻段典型變頻損耗為10～12 dB，略大于基波混頻器。同時，本振頻率大約只有射頻信號頻率的一半，本振和射頻信號隔離度高，可以降低本振源的制作難度。

本振信號通過SMA(Subminiature version A)接頭饋入，經過濾波網絡和寬帶匹配電路進入二極管對；中頻信號通過濾波網絡和寬帶匹配電路進入二極管對；射頻信號經過二極管對產生之后通過高通濾波網絡和寬帶匹配電路輸出。混頻器的整體仿真模型如圖3所示。

圖3 偶次諧波混頻器仿真模型

介質基片選用較低介電常數RT/Duriod5880，介電常數為2.2，基片厚度為0.127 mm，金屬厚度為0.018 mm。在高頻場仿真軟件HFSS中建立中頻匹配濾波網絡、射頻匹配濾波網絡、本振匹配濾波網絡等模型，仿真后將得到的S參數導入到諧波平衡仿真軟件ADS中，利用諧波平衡法對整個電路進行仿真，中頻頻率為0.95 GHz，本振頻為21.475 GHz，本振功率為10 dBm，仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4 偶次諧波混頻器變頻損耗仿真結果

圖5 偶次諧波混頻器輸出頻譜仿真結果

從仿真結果可以看出，偶次諧波混頻器在43.9～44.5GHz的范圍內插入損耗小于7.5 dB，帶內波動小于1 dB。輸出頻譜分量中混頻器對2LO+2IF抑制約64 dB，虛本振的抑制約40 dB。表2為國內和國外典型的諧波變頻芯片數據，可以看出，國內中國電科十三所的芯片虛本振抑制約為30 dB，2LO+2IF抑制約48 dB；國外HMC338的虛本振抑制約19 dB，2LO+2IF抑制約55 dB；本文的諧波混頻器指標在虛本振抑制和中頻偶次分量抑制上均優于國內外變頻芯片數據，有效解決了低中頻導致的雜散問題。

表2 國內外諧波混頻芯片測試數據對比

2.2 射頻濾波器設計

從圖5的仿真結果可以看出，混頻器產生的最靠近射頻通帶的組合波為2×fLO+2×fIF=44.85 GHz和2×fLO=42.95 GHz。其中，44.85 GHz離工作頻帶350 MHz，濾波器無法濾除，諧波混頻器自身抑制約65 dB，可以滿足設計要求；42.95 GHz理論上諧波混頻器抑制為50 dB，經仿真約為-40 dBc，這需要濾波器在該點的抑制達到20 dB以上，而42.95 GHz離工作頻帶的下邊帶只有900 MHz，加大了濾波器的設計難度，通常離邊帶比較近的雜波采用高Q值的波導濾波器濾除，但是波導濾波器體積大，不便于實現上變頻模塊的集成化和小型化設計，因此，本文擬采用傳統的微帶平行耦合濾波器實現。

平行耦合濾波器因其成本低、結構簡單、穩定性好、寄生通帶高等優點而被廣泛采用，同時易于集成，便于上變頻模塊的一體化設計。

綜合尺寸和所考慮頻率處的衰減選用濾波器為3級5階，根據設計公式設定各階的尺寸，選用厚度為0.254 mm、介電常數為9.6的陶瓷基片，在HFSS中建立濾波器的模型，仿真結果如圖6所示。

(a)濾波器HFSS仿真模型

從仿真結果可以看出，濾波器對虛本振抑制約為40 dB，鏡頻抑制約為30 dB。電路采用兩級濾波器級聯，雜散指標滿足設計要求。

2.3 上變頻鏈路設計

根據變頻模塊的技術指標，上變頻器模塊包含溫補、衰減、混頻、濾波、放大等多個環節，如圖7所示。

圖7 上變頻器模塊鏈路框圖

中頻電路包括輸入π型衰減，用于改善輸入駐波和調整整機增益，數控衰減實現整機的衰減控制功能，溫補衰減器用于補償放大器的高低溫增益波動。射頻電路包括溫補衰減器、射頻濾波器、均衡器、驅動放大器、末級放大器。溫補衰減器主要用于改善功放芯片的高低溫增益波動，射頻濾波器主要濾除本振泄露和混頻器的高階雜散分量。均衡器是根據其他器件的幅頻響應曲線用于補償整個鏈路的幅頻響應特性，驅動放大器是根據鏈路增益要求提供合適增益，器件盡量選用單調一致的幅頻響應曲線，最終選用Hittite公司的HMC1016，在所需頻段能夠提供大于20 dB的增益，1 dB壓縮點輸出功率大于等于23 dBm。考慮到鏈路采用了多級濾波器和溫度補償電路，采用了三級驅動放大電路來滿足增益要求。末級放大器主要是滿足模塊的輸出功率要求，選用了TriQuint公司的TGA4046。該芯片在工作頻段內能提供大于17 dB的增益，1 dB壓縮點輸出功率大于等于32 dBm。混頻器采用了新型的諧波混頻結構，可以降低本振和中頻偶次諧波分量，同時降低本振頻率，減小了本振源的實現難度。

在模塊結構和電路布局上，電路采用了分區布局，減小中頻、本振、射頻鏈路之間相互泄露串擾；結構上采用合適的電路約束腔，以減少空間的輻射干擾。

3 樣機研制結果

整個上變頻模塊采用一體化設計，微帶片和微波集成電路通過導電銀漿粘接在腔體上，相互之間通過金絲鍵合互聯。整個上變頻模塊尺寸為66 mm×64 mm×12 mm，質量0.12 kg，其實物照片如圖8所示。

圖8 上變頻模塊版圖和實物圖

模塊調試完成后進行了指標測試，結果如表3所示。可以看出，上變頻器的增益、雜散、輸出功率等指標十分優良，與仿真和分析結果基本符合，完全滿足設計指標的要求。表中列舉了文獻[4]的測試數據進行對比。文獻[4]采用了多次上下變頻方案來避免雜散問題，選用了變頻芯片進行混頻，這種經過多次變頻、濾波的電路復雜度高、集成難度大，容易帶來額外的雜散信號。從測試數據看，本文的諧波混頻器各項指標均優于文獻[4]的EHF變頻器。

表3 上變頻模塊指標測試結果

4 結束語

本文以反向并聯肖特基二極管對為非線性器件，完成了EHF頻段偶次諧波混頻器的設計；采用小型化平行耦合濾波器替代傳統的波導濾波器，采用一體化設計完成了上變頻器的研制。該上變頻模塊已成功應用于EHF頻段的20 W發射機上。同時，EHF頻段上變頻器可以擴展應用到EHF頻段其他輸出功率的發射系統中，其成功研制將為我國EHF頻段軍事通信衛星系統的應用打下堅實的基礎。但是，上變頻器的雜散指標和仿真有偏差，同時模塊的集成度上還沒有達到最優，模塊體積偏大。下一步將重點解決諧波混頻器的優化和電路集成度的優化布局。