寬帶Ka頻段下頻段器設計及實現

史本忠

摘 要：設計并實現了一種用于遙感衛星地面接收系統的寬帶Ka頻段下變頻器。采用低本振的二次變頻方式先將Ka頻段（25～27.5 GHz，任意1 GHz帶寬）射頻信號下變頻至X頻段（7.5～8.5 GHz）射頻信號，再經X頻段下變頻至1 200±500 MHz中頻信號。本振選用鎖相環方式實現，具有高性能、高可靠性等優點。該設備已用于實際工程中，測試結果可滿足遙感衛星地面接收系統寬帶Ka頻段下變頻器的技術需求。

關鍵詞：遙感衛星；接收系統；Ka頻段；寬帶；下變頻器

中圖分類號：TN927 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-02

0 引 言

遙感衛星星地鏈路需傳輸的數據量越來越大，所占用的帶寬也隨之更寬，遙感信息與數據傳輸能力之間的矛盾日益凸顯[1，2]。Ka頻段可用的帶寬可以滿足較大的傳輸帶寬和較高碼速率的傳輸需要，已成為星地數據傳輸的發展方向[3，4]。包括我國在內的諸多國家已在中繼衛星、通信衛星采用Ka頻段下傳衛星數據，而我國也將在低軌遙感衛星上采用Ka頻段下傳衛星數據。

目前，遙感衛星數據普遍采用S/X頻段進行下傳，而相應的地面接收系統也基于S/X頻段來建設。為了解決遙感信息與星地鏈路數據傳輸能力之間的矛盾，現階段國內外航天任務已由現在的S/X頻段向Ka頻段轉變。因此對下行鏈路的下變頻器的研制提出更高、更新的技術要求。

寬帶Ka頻段下變頻器是衛星地面站接收系統中的一個重要組成部分。針對上述新的技術需求并考慮未來的技術發展趨勢，本文設計并實現了一種寬帶Ka頻段下變頻器。采用低本振的二次變頻技術，將Ka頻段（25～27.5 GHz）1 GHz帶寬射頻信號下變頻至1.2 GHz±500 MHz中頻信號。兩個本振源均采用低本振，變頻過程無頻譜倒置。

在結構設計時，將Ka下變頻器分成Ka-X下變頻器模塊與X-IF下變頻器模塊，且X頻段下變頻器模塊輸入射頻按7.5～9.0 GHz設計，以滿足X頻段下變頻模塊兼容接收其他X頻段衛星的要求。

1 方案設計及實現

1.1 中頻頻率及干擾分析

由于Ka頻段接收鏈路帶寬需滿足1 GHz，因此目前遙感衛星地面接收系統常用的720 MHz中頻，±250 MHz帶寬已不能滿足此技術的需求。同時為方便與當前在用的調制解調器連接，提高設備的通用化程度，中頻設計為1 200 MHz± 500 MHz[5]。

寬帶Ka頻段下變頻器采用二次變頻技術，先將Ka頻段（2527.5 GHz，任意1 GHz帶寬）射頻信號與本振頻率為17.5 GHz 19 GHz的信號進行混頻，輸出的X頻段（7.5

8.5 GHz）射頻信號再與本振頻率為6 3007 800 MHz的信號混頻得到1.2 GHz±500 MHz中頻信號。

下變頻器用來選擇工作頻段，并將載波頻率降低到中頻。變頻器的二次變頻通過混頻器實現頻率轉換，且在頻率轉換過程中將產生組合頻率干擾等[6]。為防止這些頻率成分形成干擾，實現如期的接收功能，最優的方法是保證組合頻率產物不落入中頻范圍內或干擾電平較低，從而保證系統的接收性能。

采用ADS對上述下變頻方式的組合干擾進行仿真分析，結果表明，對Ka-X下變頻器的組合干擾均遠離所用頻帶。對X-IF下變頻器而言，2RF-2LO落在帶內，即諧波落在帶內，但抑制達到60 dBc以上，可以滿足系統接收性能要求；其他組合干擾均較小或遠離所用頻帶。

1.2 Ka-X下變頻模塊

Ka-X下變頻模塊主要將25～27.50 GHz任意1 GHz帶寬信號下變到7.5～8.5 GHz。Ka-X下變頻模塊框圖如圖1所示。

2527.5 GHz下行信號先經過隔離器，以確保良好的輸入駐波，然后由帶通濾波器濾除帶外無關干擾，并確保鏡頻抑制及中頻抑制指標，同時濾除本振的返向泄露。該鏈路鏡像頻率為911.5 GHz，濾波器對該頻段的抑制在75 dBc以上。同時也對7.58.5 GHz頻段有75 dBc以上的抑制。

低噪放的1.3 dB低噪聲系數和24 dB增益可以確保鏈路噪聲系數指標滿足要求。再經隔離器對混頻器的駐波做一定改善，保證帶內平坦度等指標。同時鏈路所選的其它器件在相應頻段上有良好的平坦度指標，可保證帶內平坦度。

混頻器選用雙平衡混頻器，對偶次組合雜散有很好的抑制效果?；祛l輸出端接隔離器，以做良好的匹配，確保平坦度等指標。再經中頻帶通濾波器濾除射頻泄露、本振泄露和各階組合雜散。該濾波器的帶外抑制度在70 dBc以上。

采用數控衰減器進行增益調整，衰減范圍為30 dB，步進為1 dB，這樣可以靈活調整鏈路增益，避免下級鏈路飽和。

末級放大器選擇高增益、高三階、高輸出P-1dB放大器，在該應用頻段具有良好的增益平坦度特性。

最后加帶通濾波器來濾除諧波，確保諧波抑制指標滿足60 dBc及良好的輸出駐波。

本振頻率為17.5 GHz19 GHz，選用環內混頻鎖相環方式實現，具有高性能、高可靠性等優點。采用100 MHz恒溫晶振為鎖相環做參考時鐘，以100 MHz為鑒相頻率，首先采用15 GHz的PDRO取樣鎖相，和鎖相環在環內混頻，產生2.5 GHz4 GHz回環信號由鑒相器鑒相，輸出17.5 GHz

19 GHz信號。鎖相芯片采用HITTITE的鑒相器，它的歸一化噪底為-230 dBc/Hz。第一個鎖相環為寬帶輸出，所選VCO具有寬頻帶、低相位噪聲的特點。環路濾波器采用低噪聲運算放大器AD797構成有源環路濾波器，可以很好的降低運放對相位噪聲的惡化。方案采用了雙環結構，通過輔助環降低主環分頻器，從而改善相位噪聲性能。Ka-X下變頻模塊本振框圖如圖2所示。

1.3 X-IF下變頻模塊

X-IF下變頻模塊主要將7.59.0 GHz信號下變到1 200 MHz

±500 MHz。X-IF下變頻模塊框圖如圖3所示。

X-IF下變頻器模塊輸入端為隔離器，可以有效保證產品的駐波要求。輸出端接濾波器，濾波器的駐波要求小于1.3，并接電阻型匹配電路，確保輸出駐波。

通道上所選擇的放大器、混頻器、濾波器等，在所使用的頻段上具有很好的平坦度指標，各器件間也做了良好的匹配，可以確保增益平坦度要求。

射頻輸入濾波器通頻帶為7.5～9.0 GHz，需要對鏡像頻率及本振返向泄露進行抑制。該方案中鏡像頻率為5 100～

6 600 MHz，濾波器在該頻段的抑制可以達到70 dBc以上，滿足鏡像抑制大于60 dBc的要求。

帶外雜散抑制主要由中頻濾波器保證。該下變頻模塊采用一次變頻，2RF-2LO落在帶內，即諧波落在帶內，但抑制達到60 dBc以上，可以滿足系統接收性能要求；其他組合干擾均較小，或遠離所用頻帶。

混頻器有20 dB的LO-RF隔離，放大器有35 dB的反向隔離，2只隔離器共50 dB的隔離，可以計算出射頻輸入端的本振泄露電平在-80 dBm以下。

增益調整采用數控衰減器HMC472，可滿足30 dB調整范圍，1 dB步進要求。

本振頻率為6 3007 800 MHz，采用鎖相環方式實現。采用100 MHz恒溫晶振為鎖相環做參考時鐘，以100 MHz為鑒相頻率。鑒相器采用HITTITE的HMC704，它的歸一化噪底為-230 dBc/Hz。VCO選用HMC507，它具有寬頻帶、低相位噪聲的特點，頻率可覆蓋6 3007 800 MHz，相位噪聲在100 kHz處可達到-115 dBc/Hz。環路濾波器采用低噪聲運算放大器AD797構成有源環路濾波器，可以很好地降低運放對相位噪聲的惡化。X-IF下變頻模塊本振框圖如圖4所示。

2 測試結果

基本指標測試結果如表1所列。測試結果表明各項指標均滿足遙感衛星地面接收系統的技術要求。

3 結 語

本文設計并實現了一種寬帶Ka頻段下變頻器。Ka下變頻器分成Ka-X下變頻器模塊與X-IF下變頻器模塊，采用低本振的二次變頻技術，先將Ka頻段（25～27.5 GHz，任意1 GHz帶寬）射頻信號下變頻至X頻段（7.5～8.5 GHz）射頻信號，再經X頻段下變頻至1.2 GHz中頻信號。X頻段下變頻器模塊輸入射頻按7.5～9.0 GHz設計，以滿足X頻段下變頻模塊兼容性接收其他X頻段衛星的要求。

該設備已用于實際工程中，測試結果滿足遙感衛星地面接收系統的寬帶Ka頻段下變頻器設計指標要求。

參考文獻

[1]王萬玉，陳金樹.交叉極化干擾消除技術研究[J].電訊技術，2013 （6）：707-710.

[2]王永華，王萬玉.S/X/ka頻段天伺饋系統關鍵技術分析[J].電訊技術，2013（8）：1058-1063.

[3]J. Roselló， A.Martellucci， R. Acosta， et al.26-GHz Data Downlink for LEO Satellites[C]. 6th European Conference on Antennas and Propagation， 2012： 111-115.

[4]王中果，汪大寶.低軌遙感衛星Ka頻段星地數據傳輸效能研究[J].航天器工程，2013，22（1）：72-77.

[5]朱維祥，王萬玉，馮旭祥.遙感衛星地面接收系統一體化設計[J].現代電子技術，2015，38（9）：73-76.

[6]呂洪生.實用衛星通信工程[M].成都：電子科技大學出版社，1994：97-99.