Ka頻段下變頻組件仿真設(shè)計(jì)

黃亮 趙海 潘威

摘要??? 本文主要研究Ka頻段下變頻組件仿真設(shè)計(jì)的具體方式，包括射頻鏈路仿真設(shè)計(jì)、中頻鏈路仿真設(shè)計(jì)、本振源路仿真設(shè)計(jì)、變頻組件仿真計(jì)算等內(nèi)容。通過(guò)本文的分析，對(duì)下變頻組件仿真設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行淺談，以期為相關(guān)人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】Ka頻段 變頻組件 仿真設(shè)計(jì)

Ka頻段是電磁頻譜中微波波段所包含的一部分，其頻率范圍為26.5GHz至40GHz。由于Ka頻段有著較強(qiáng)的獨(dú)特性，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中被廣泛應(yīng)用在制導(dǎo)、雷達(dá)、通信等領(lǐng)域中。就電子對(duì)抗系統(tǒng)而言，Ka頻段信號(hào)需要下變頻到低、中頻波段進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、信號(hào)處理等功能，下變頻組件的性能直接影響系統(tǒng)接收機(jī)的性能，因此需要對(duì)Ka頻段下變頻組件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

1 Ka頻段射頻鏈路的仿真設(shè)計(jì)

在對(duì)射頻鏈路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的過(guò)程中，其接入端口需要使用型號(hào)為（SAST）G*2.92-KFD9G的SMA接頭，位于整個(gè)組件的前端，因此必須保證其駐波及插損符合組件的基本要求，否則將會(huì)影響其整體性能。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以采用的結(jié)構(gòu)形式為同軸-微帶，這種技術(shù)方式便于組件在上級(jí)分機(jī)中與其它組件級(jí)聯(lián)，和組件內(nèi)部芯片間的級(jí)聯(lián)，同時(shí)容易加工，不會(huì)產(chǎn)生較高的損耗。

下變頻組件需要滿足系統(tǒng)對(duì)信號(hào)放大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展和限幅保護(hù)的需求，Ka頻段的射頻信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，依次經(jīng)過(guò)限幅器、數(shù)控衰減器和低噪聲放大器，與混頻器實(shí)現(xiàn)鏈接。在實(shí)際的仿真設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以使用三維電磁仿真軟件完成計(jì)算，為了使交調(diào)產(chǎn)物功率盡量小，到混頻器前的射頻信號(hào)最大功率應(yīng)比其輸入P1dB小5至10dB，結(jié)合組件的增益、噪聲和輸入P1dB等要求，以此來(lái)得到射頻鏈路各組成器件需要滿足的指標(biāo)。

2 Ka頻段中頻鏈路的仿真設(shè)計(jì)

除受混頻器非線性因素的影響會(huì)產(chǎn)生很多交調(diào)分量之外，由于使用型號(hào)為HMC292的混頻器，其需要13dBm以上的本振信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，會(huì)增加本振泄露的風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)霈F(xiàn)覆蓋中頻信號(hào)的現(xiàn)象，所以對(duì)本振進(jìn)行抑制有著較強(qiáng)的必要性。為了能夠?qū)崿F(xiàn)高雜散抑制、高增益的目的，在對(duì)中頻鏈路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該使用的結(jié)構(gòu)形式為：濾波-放大-濾波-放大。另外，需要在綜合分析系統(tǒng)功耗的基礎(chǔ)上，完成選取中頻放大器的環(huán)節(jié)，并注意對(duì)輸出P1dB因素的影響。

通常本振信號(hào)、中頻信號(hào)的頻率相距較遠(yuǎn)，很可能會(huì)受到諧振式濾波器寄生通帶的影響，對(duì)此組件應(yīng)該使用七級(jí)高低阻抗低通濾波器和U型發(fā)夾式耦合線微帶濾波器兩級(jí)濾波的形式。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)方式，能夠獲得Ka頻段中頻鏈路的仿真設(shè)計(jì)結(jié)果，從而進(jìn)行更加深入對(duì)雜散抑制的分析。同時(shí)，可以在組件中級(jí)聯(lián)π型衰減器，合理地分配各衰減器的衰減值，提供上級(jí)分機(jī)適宜大小的增益值且保證組件中各個(gè)放大器能夠處于線性的運(yùn)行狀態(tài)。

3 Ka頻段本振源鏈路的仿真設(shè)計(jì)

結(jié)合Ka頻段中頻鏈路的仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該對(duì)本振源進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證其框圖設(shè)計(jì)的合理性。在仿真設(shè)計(jì)的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)相位噪聲的問(wèn)題，即在Ka頻段中的信號(hào)源中，很多噪聲會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)，從而影響本振信號(hào)的穩(wěn)定性，或者出現(xiàn)相位起伏等問(wèn)題。這一問(wèn)題，實(shí)際上是表征信號(hào)中，表示短期內(nèi)輸出頻率是否穩(wěn)定的指標(biāo)，其中大的相位噪聲會(huì)在一定程度上，影響Ka頻段系統(tǒng)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍、選擇性，進(jìn)而導(dǎo)致電子對(duì)抗系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)更多的誤碼率。因此對(duì)本振源進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，成為優(yōu)化Ka頻段系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在具體的設(shè)計(jì)方案中，其實(shí)現(xiàn)方式為鎖相+倍頻，同時(shí)對(duì)外輸入信號(hào)進(jìn)行5倍頻處理，信號(hào)為10MHz，經(jīng)過(guò)處理以后形成50MHz信號(hào)，從而提高信號(hào)的相噪。另外，Ka頻段組件中鎖相環(huán)的輸出頻率，等于23.2GHz，其相噪來(lái)四部分，即VCO、電荷泵、反饋分頻、參考輸入，貢獻(xiàn)公式為：STOT=（SREF2+SN2）*[G/（1+GH）]2+SCP2*（1/Kd）2*[G/（1+GH）]2+SVCO2*[G/（1+GH）]2。通過(guò)此公式能夠?qū)Ρ菊裨捶抡娼Y(jié)果進(jìn)行分析、計(jì)算，為Ka頻段下變頻組件仿真計(jì)算提供有價(jià)值的參數(shù)據(jù)考。

4 Ka頻段下變頻組件仿真計(jì)算

通過(guò)以上對(duì)Ka頻段下變頻組件的下級(jí)子鏈路的仿真設(shè)計(jì)，就能夠基于仿真設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行具體的組件仿真計(jì)算。在完成無(wú)源電路設(shè)計(jì)、芯片選擇的基礎(chǔ)上，能夠通過(guò)獲取的各個(gè)組建參數(shù)，使用ADS軟件，對(duì)Ka頻段下變頻組件進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)聯(lián)仿真，最終得到組件能夠滿足的性能數(shù)據(jù)結(jié)果。具體來(lái)說(shuō)，基于ADS軟件的仿真計(jì)算，將26.5GHz～36GHz，-80dBm～+5dBm輸入信號(hào)下變頻，輸出4.6GHz～8.4GHz適宜變頻后端處理的信號(hào)，其結(jié)果為：Ka頻段下變頻組件的噪聲系數(shù)等于7.2dB，變頻增益結(jié)果等于4～10dB，雜散抑制的結(jié)果在70dBc以上，輸出P1dB的結(jié)果等于12dBm。在全頻段的最大輸入功率為-15dBm情況下，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出交調(diào)信號(hào)的抑制結(jié)果為50dBc。通過(guò)優(yōu)化微帶線與芯片、微帶線與絕緣子水平過(guò)渡級(jí)聯(lián)的仿真設(shè)計(jì)，可將組件輸入輸出駐波控制在2.5以下。

筆者基于上述仿真結(jié)果，成功設(shè)計(jì)出一個(gè)Ka頻段下變頻組件，實(shí)測(cè)性能指標(biāo)與仿真結(jié)果一致，如圖1所示。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，Ka頻段下變頻組件的仿真設(shè)計(jì)，涉及到很多不同的層面，需要技術(shù)人員采用合理的方式和工具完成仿真設(shè)計(jì)工作。以此為基礎(chǔ)，可以提高無(wú)源電路、芯片選擇的合理性，優(yōu)化Ka頻段電子對(duì)抗系統(tǒng)的性能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)組件的級(jí)聯(lián)仿真，其最終的結(jié)果符合Ka頻段電子對(duì)抗系統(tǒng)的要求。因此，結(jié)合本文的分析發(fā)現(xiàn)，文中所提及的仿真設(shè)計(jì)方案，具有較強(qiáng)的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]褚慶昕，何殷健.基于共面臂波導(dǎo)魔T的Ka頻段功率合成放大器[J/OL].微波學(xué)報(bào)：1-4[2018-12-29].

[2]張曉燕，楊夏青，武秀廣.Ka頻段“動(dòng)中通”地球站頻率使用技術(shù)規(guī)范研究[J].中國(guó)無(wú)線電，2018（10）：29-33.