中国科技期刊数据库 工业C
2015年29期 249
王 义
刘立浩
中国电子科技集团公司第54研究所，河北 石家庄 050081
摘要：本文介绍了Ku 频段上变频模块的设计，该模块实现的功能是将终端发射出的频率为0.95-1.45GHz 的调制信号上变频至14.0-14.5GHz 的射频信号。通过合理的方案设计以及微波CAD 软件的应用，模块实现了极低的杂散，优良的相位噪声以及较为理想的幅频特性。在Ku 频段卫星通信系统中有着 广阔的应用前景。 关键词：Ku 频段；上变频模块；Designer 软件；HFSS 软件 中图分类号：TN773 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)29-0249-02
Design of a Ku-Band Up Down Converter
WANG Yi ，LIU Li-hao
The 54th Research Institute of CETC ，Shijiazhuang Hebei 050081，China
Abstract: This paper presents the design of a Ku-band block up converter. The function of the block up converter is receives terminator modulate signals between 0.95GHz and 1.45GHz and converts them up to RF frequency between 14.0GHz and 14.5GHz.By Designing of the optimizing plan and the application of the microwave CAD tools, low spurious response is obta ined, good phasenoise property and good amplitude vs frequency response are also achieved. This module has a wide application prospect in the Ka-band satellite communication systems.
Keywords: Ku-Band; Up converter; Designer software; HFSS software
引言 Ku 频段是目前应用中非常重要的一个通信频段，相对于C 频段，它可以实现较窄的波束，获得较高的EIRP （有效全向辐射功率）值。减小地面天线及射频设备的尺寸，目前已广泛应用于卫星通
信。 上变频模块需要将低频段信号上变频至符合发射要求的频段范围，，通常只涉及频谱的搬移，一般不对所携带信号进行处理。因此要求在上变频过程中尽量不对信号本身特性产生影响，对相位噪声、增益平坦度及杂散等都有严格的要求。本文使用Ansoft Designer 和HFSS 软件以及低相位噪声的本振源技术，研制出了高性能指标的Ku 频段上变频模块。 1 Ku 频段上变频模块的电路组成 Ku 频段上变频模块的电路组成框图如图1。0.95GHz ～1.45GHz 中频输入信号首先经过π型电阻衰减网络，以改善模块输入端口的回波损耗，之后经过放大器对中频信号进行放大，再经过一温补衰减器，该温补衰减器首先可以改善模块中频链路回波损耗，其次，由于其与模块其它有源电路有相反的高低温增益特性，可以对模块的高低温增益变化进行补偿，使模块的增益高低温环境下在一个很小的范围内变化。之后，中频信号进入混频器，与13.05GHz 的本振信号进行混频，产生14.0GHz ～14.5GHz 的Ku 频段的射频信号。射频信号首先经过一个微带滤波器，滤除本振泄露，之后使用一级放大器对Ku 频段信号进行放大并再次经过一个微带滤波器进一步滤波，滤波后的信号经过一个1dB 压缩点较高的放大器放大，最后经过隔离器改善回波损耗后输出。 Ku 频段输出
图1 Ku 频段上变频模块电路组成框图
2 关键电路设计 2.1 Ku 频段微带带通滤波器的设计 混频器输出后的射频信号首先经过微带带通滤波
器滤波，微带带通滤波器的主要功能是滤除本振泄露以及混频产生的带外组合频率杂散，同时要兼顾带内的幅频特性和插入
损耗，经过计算，本振泄露是距离通带最近而且功率最高的杂散，因此本振泄露是滤波器设计过程中主要抑制的杂散。 针对该滤波器的特性，选取7阶的微带发夹线滤波器，其特点为带外S21陡峭，抑制度高，但其带内幅频特性较差，需要在设计仿真过程中重点优化。 基板选用Taconic 公司的TLY-5型微波介质板，介电常数εr = 2.2；损耗角正切tanD = 0. 0009；基板厚度h
=0.508mm ；敷铜层厚度为35μm；印制板加工中镀金层厚度为1μm。 在Ansoft Designer 中建立仿真电路图，使用了多线耦合模型。在Ansoft Designer 的TRL 工具计算出耦合微带线奇偶模阻抗，进一步可以计算出耦合微带线的实际线宽和间距。将这些参数初值代入模型，通过仿真，可以发现由计算初值得到的滤波器带外抑制度、通带内回波损耗等指标离要求还有差距，于是将线宽、线长、线间距、抽头位置等微带线长度都设为未知数，将带外抑制度、通带内回波损耗设定为目标，进行优化，很快就可以得到满足指标的滤波器。由于Designer 是基于电路的仿真，仿真结果与实测结果在14GHz 会有频率偏差，于是将其版图导入HFSS 中进行计算，HFSS 是基于电磁场的仿真，其仿真结果同实测结果具有高度的一致性，经过HFSS 计算后就可以看到滤波器实际的特性
曲线了。在HFSS 里优化是极其耗费时间的，所以可以在Designer 中事先将频率修正，然后导入到H
FSS 中进行验证，可以较快地得到性能满足指标要求的滤波器。图2为滤波器分别在Designer 和HFSS 中的仿真曲线：
电子技术
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（a ）Designer 仿真结果 （b ）HFSS 仿真结果
图2 滤波器传输特性仿真结果
从仿真曲线中可以发现Designer 软件中仿真结果比HFSS 软件中的仿真结果频率向高端偏移了250MHz ，经过对滤波器加工测试，实测结果同HFSS 软件中的仿真结果具有高度的一致性。测试结果同HFSS 的仿真对比如表1
从表1中发现通带内插入损耗实测值比仿真值要大，原因可能是传输线测试过程中输入输出传输线以及接头带来的损耗。
2.2 Ku 频段放大器的设计
Ku 频段第一级放大器采用RFMD 公司的NBB-300放大器，该放大器为50欧姆内匹配的放大器，输入、输出直接连接50欧姆微带线即可应用，由于要使用的频段较高，该放大器在此频段回波损耗已经开始恶化，于是将该放大器的S 参数导入Designer 软件，在放大器输入、输出建立高低阻抗线模型，对其在14-14.5GHz 进行仿真优化，通过优化，可以大幅度改善其在该频段的回波损耗。仿真完成后的版图可以直接输出，使用非常方便。
Ku 频段末级放大器采用Hittite 公司的HMC441放大器，该芯片是裸芯片宽带放大器，在此频带内具有增益高、幅频特性好、1dB 压缩点输出功率高的特点。该芯片装配时需要微组装工艺，用导电胶将其粘接在钼铜载体上，再将钼铜载体用导电胶粘接在Kovar 载体上，实现不同材料热膨胀系数的匹配。输入输出用1mil 的金丝键合连接。
2.3 低相位噪声的1
3.05GHz 本振的设计 13.05GHz 本振的电路组成框图如图3所示。
参考输入
本振输出
图3 13.05GHz 单点本振电路构成框图
在卫星通信中，通常为多点间通信，每个点有独立的参考源，要保证各点间的通信，对参考源稳定度有很高的要求，尤其在Ku 频段卫星通信，参考源稳定度往往要求10-8量级。考虑到成本和技术成熟度，系统参考源频率多选择10 MHz 。
由于Ku 频段上变频模块的10MHz 参考由外界供给，所以不能依靠使用100MHz 的晶振来改善模块相位噪声。为了满足卫星通信用信道设备的相位噪声要求，13.05GHz 本振采用锁相倍频的方案。首先，用数字锁相环将10MHz 参考锁一个3.2625GHz 的单点，随后该单点进入4倍频器，4倍频器选用Hittite 公司的HMC695LP4E ，该芯片指标优良，使用方便，倍频之后，产生13.05GHz 的本振信号。之后经过微带
滤波器滤除倍频产生的谐波，在经过放大器将13.05GHz 的本振信号放大到＋13dBm ，提供给混频器。
锁相环芯片采用Analog Devices 公司的ADF4106，其噪声基底为-219dBc/Hz ，锁相环采用50MHz 参考频率，以降低程序分频比，改善环路带宽内的相位噪声。压控振荡器采用了低相位噪声的介质压控振荡器MCRO 3262.5MHz ，10kHz 相噪可达到-110dBc/Hz 。
外界10MHz 晶振供给模块后，首先经过一个晶体管有源倍频器；然后使用一个由集总器件组成的带通滤波器，取出所需的50MHz 信号并滤除相邻的40MHz 、60MHz 信号，该带通滤波器采用了椭圆函数滤波器形式，滤波完成后使用一级放大器将取出的50MHz 信号放大到约0dBm ，供给ADF4106使用；模块内部通过一个单片机芯片给ADF4106置数。锁相环的环路滤波器采用三阶无源环路滤波器，使用Analog Devices 公司软件ADI SimPLL ，可以对环路参数进行精确设计。实际工程中，环路带宽取为3.5kHz ，相位裕量取为48度。4倍频后相位噪声会恶化12dB 。
2.4 L 频段放大电路设计
L 频段放大电路采用一级SBB3089Z 放大器，该放大器在950MHz~1450 MHz 频带内具有优良的幅频特性及回波损耗，在500 MHz 频带内幅频特性为0.1dB ，其输入输出回波损耗均小于-20，因此使用过程中不用再对其进行匹配，输入输出直接连接50欧姆传输线即可。
3 模块性能指标测试
模块盒体采用防锈厚铝板制作，盒体表面进行导电氧化处理，以增强其抗氧化能力。模块尺寸为79mmX80mmX23mm ，测得整个模块的指标如下：
输入频率范围：0.95GHz ～1.45GHz ； 输出频率范围：14.0GHz ～14.5GHz ； 1dB 压缩点输出功率：13.5dBm ； 增益：20.6dB ；
幅频特性：0.4dB （任意40MHz 频带内）； 1.1dB （500MHz 频带内）； 杂散输出：-74.5dBc ；
相位噪声：-73.6dBc/Hz@100Hz ， -82.1dBc/Hz@1KHz ， -93.4dBc/Hz@10KHz ， -105.5dBc/Hz@100KHz ； -121.8dBc/Hz@1MHz ； 输入回波损耗：-22.4 输出回波损耗：-19.6
测试结果表明模块各项指标均满足技术指标要求，且在幅频特性、杂散、相位噪声指标留有较大的余量。模块经过- 40℃ ~ + 55℃的高低温摸底试验，，增益最大变化量为0.5dB ，工作稳定可靠。
4 结束语
本文介绍了Ku 频段上变频模块的设计，对模块中的关键电路进行了较为详细的描述。利用了Ansoft Designer 和HFSS 软件设计出了满足Ku 频段应用的微带滤波器和放大器，现如今微波仿真软件具有非常高的准确度，极大地提升了设计人员的设计成功率。研制成功的Ku 频段上变频模块已经成功应用于Ku 频段发射机之中，并且进行了数批小批量生产，模块可生产性强、指标优良、工作稳定。
参考文献
[1]胡蓓，吉波，封艳民等. Ku 频段微波宽频带固态功率放大器[J]. 现代导航，2010（1）：70-74.
[2]边境. 机载Ku 、Ka 频段卫星通信系统研究[J]. 中国科技博览，2013（25）：244. [3]倪明环，吴乔，
刘宇. Ka 频段六端口直接变频接收机[J]. 科技致富向导，2011（32）：181. 作者简历： 王义（1981-），男，硕士，中国电子科技集团公司第54研究所工程师。研究方向：微波与毫米波。
