衛(wèi)星Ka 全頻段多中頻變頻信號(hào)處理技術(shù)研究

黎媛捷，張雷霆，王正峰，沈靖，安天琪

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海，200240）

0 引言

Ka 波段信號(hào)具有波束指向性強(qiáng)、信息容量高的特性，近些年廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊系統(tǒng)中。但也由于Ka 信號(hào)使用范圍廣的特點(diǎn)，從傳統(tǒng)的空對(duì)地方向（17.7～21.2GHz）到衛(wèi)星星座通訊（25～33GHz）都有廣泛的應(yīng)用，給衛(wèi)星地面測(cè)試系統(tǒng)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的Ka 變頻器僅有3Ghz 變頻帶寬且輸出中頻信號(hào)固定，無(wú)法適應(yīng)不同場(chǎng)景的測(cè)試，需要頻繁更換變頻器。這也導(dǎo)致變頻器種類(lèi)繁雜，研制周期極長(zhǎng)，大大降低了型號(hào)研制進(jìn)度；且隨著一型衛(wèi)星研制任務(wù)結(jié)束，此型衛(wèi)星地面測(cè)試所使用變頻器也面臨封存的風(fēng)險(xiǎn)，造成了資源的極大浪費(fèi)。因此亟需對(duì)Ka 全頻段變頻信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一款Ka 全頻段、多類(lèi)中頻信號(hào)的變頻器。

1 總體方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的變頻器往往使用一次變頻至中頻信號(hào)，如圖1所示，此種方案具有成本低、組合干擾少的特點(diǎn)。

圖1 傳統(tǒng)變頻器變頻原理示意圖

圖2 基于分頻開(kāi)關(guān)切換變頻的原理圖

但針對(duì)Ka 全波段、多中頻的變頻需求，由于單個(gè)濾波器無(wú)法消除鏡頻抑制等信號(hào)干擾，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案顯得力不從心。但利用射頻開(kāi)關(guān)與濾波器組合就可很好實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡頻抑制的消除。本方案通過(guò)電子開(kāi)關(guān)選擇六段信號(hào)分別濾波進(jìn)入通道變頻，2.4GHz、1.5GHz、和720MHz 中頻經(jīng)過(guò)兩次變頻，70MHz 中頻經(jīng)過(guò)三次變頻，后經(jīng)過(guò)放大、開(kāi)關(guān)、濾波、變頻變換后得到中頻信號(hào)，中頻可以通過(guò)電子開(kāi)關(guān)選擇四個(gè)中頻帶寬中的一種中頻輸出。

由于混頻器的非線(xiàn)性，RF 和LO 信號(hào)進(jìn)行混頻后，除了產(chǎn)生需要的IF 信號(hào)，必然還會(huì)產(chǎn)生其他交調(diào)產(chǎn)物，如組合頻率、本振諧波、鏡頻干擾和鄰道干擾等。其中組合干擾頻率計(jì)算如式1 所示：

其中，f∑為混頻后輸出組合信號(hào)（其中包括需要的中頻頻率和組合干擾），fRF為射頻信號(hào)，fLO為為本振信號(hào)。m，n為諧波次數(shù)，m,n=0,1,2,...。對(duì)于窄帶系統(tǒng)，可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)濾波器來(lái)濾除不需要的干擾。而對(duì)于寬帶系統(tǒng)，由于信號(hào)帶寬較寬，組合干擾容易落到中頻帶寬內(nèi)，濾波器難以濾除。因而必須更加合理謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)變頻方案，來(lái)避開(kāi)各種交調(diào)產(chǎn)物的干擾。而多次變頻方案中的信號(hào)環(huán)境更加復(fù)雜，因此需要使用EDA 軟件進(jìn)行仿真，優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)。

2 鏡頻抑制設(shè)計(jì)

Ka 全頻段變頻信號(hào)處理方案最大的優(yōu)勢(shì)是使用前端射頻開(kāi)關(guān)與濾波器組分段方法來(lái)抑制鏡頻抑制，實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)使用濾波器難以達(dá)到的效果。經(jīng)仿真，第一級(jí)射頻開(kāi)關(guān)濾波器抑制44dB，第二級(jí)開(kāi)關(guān)濾波器抑制50dB，合計(jì)抑制大于95dB，滿(mǎn)足鏡頻抑制大于80dB 的要求。圖3 分別是18GHz～25GHz 射頻濾波器抑制、25GHz～33GHz 射頻濾波器抑制仿真圖。

圖3 靜頻抑制仿真圖

3 雜散抑制與本振設(shè)計(jì)

由于Ka 通訊有著數(shù)據(jù)通量大的特點(diǎn)，頻率偏移至中頻后所需帶寬也較大，例如1.5Ghz 中頻模式下，所需數(shù)據(jù)帶寬為 。因此設(shè)計(jì)中需著重考慮寬，其組合干擾式如下：

則變頻中，高階雜散不與中頻信號(hào)產(chǎn)生交疊的必要條件應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足式(3)和(4)：

其中B 為信號(hào)帶寬，fRFo為射頻信號(hào)中心頻點(diǎn)，fIFo為中頻信號(hào)中心頻點(diǎn)。

如下根據(jù)仿真結(jié)果使用了如表所示的變頻方案，采用此方案雜散均小于-60dBc，圖4 是2 次變頻的雜散仿真圖。

表1 各次混頻后的接收通道雜散電平組合仿真結(jié)果

圖4 雜散仿真圖

根據(jù)上文的仿真思路，選擇合適的器件搭建本振電路，如圖5 所示。

圖5 時(shí)鐘及本振頻率源設(shè)計(jì)

一本振信號(hào)由鎖相環(huán)產(chǎn)生（12～19.5）GHz 的基頻信號(hào)后二倍頻產(chǎn)生，恒溫晶振產(chǎn)生的100MHz 信號(hào)輸入鑒相器后二分頻產(chǎn)生50MHz 信號(hào)作為鑒相頻率,鑒相器誤差電壓經(jīng)運(yùn)放構(gòu)成的有源環(huán)路作用于調(diào)諧電壓端,控制VCO 輸出（12～19.5）GHz,步進(jìn)為50MHz 的點(diǎn)頻信號(hào)，后經(jīng)無(wú)源二倍頻器進(jìn)行倍頻，可以滿(mǎn)足一本振輸出頻率（24～39）GHz 的要求。

二本振信號(hào)由鎖相環(huán)3 產(chǎn)生的三個(gè)可變點(diǎn)頻信號(hào)作為頻標(biāo)，頻率為6420、7200、8100MHz；鎖相環(huán)4 產(chǎn)生的頻率范圍250～350MHz，混頻后經(jīng)開(kāi)關(guān)濾波產(chǎn)生。

三本振信號(hào)由鎖相環(huán)鎖定內(nèi)部VCO 至2600MHz，片內(nèi)輸出4 分頻產(chǎn)生650MHz 點(diǎn)頻信號(hào)，經(jīng)濾波放大產(chǎn)生。

4 相位噪聲

本方案使用高本振方案，其相對(duì)于低本振方案雜散更好控制，由于本振帶寬更寬、頻率更高，相位噪聲控制難度更高，因此對(duì)本振相位噪聲進(jìn)行仿真，優(yōu)化器件選擇，如表所示為三個(gè)本振在10Hz～1MHz 下的相位噪聲，均滿(mǎn)足要求。

表2 相位噪聲仿真結(jié)果

設(shè)備完成搭建后，對(duì)實(shí)際相位噪聲進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)測(cè)量與仿真大致相符，二本振頻標(biāo)信號(hào)相噪仿真與實(shí)際測(cè)量曲線(xiàn)對(duì)比圖如圖6所示。

圖6 二本振頻標(biāo)信號(hào)相噪仿真曲線(xiàn)與實(shí)際曲線(xiàn)對(duì)比

5 實(shí)際測(cè)試效果

基本指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表3 所列。測(cè)試結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足衛(wèi)星測(cè)試需求。

表3 變頻器實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)

6 結(jié)論

本文基于分頻開(kāi)關(guān)切換的變頻信號(hào)處理方案，通過(guò)EDA仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種全頻段、多中頻的下變頻器，利用三次變頻與分頻開(kāi)關(guān)切換方案，可將Ka 全頻段（18～33G）下變頻至多類(lèi)中頻信號(hào)（70M/720M/1.5G/2.4GHz），可滿(mǎn)足衛(wèi)星各復(fù)雜場(chǎng)景測(cè)試需求。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，此下變頻器性能良好，目前該設(shè)備已應(yīng)用到多個(gè)衛(wèi)星型號(hào)測(cè)試系統(tǒng)中。