毫米波上變頻模塊的仿真與設(shè)計(jì)

雷興旺　原慶　尹華

摘? 要：針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)射頻前端系統(tǒng)中變頻模塊設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，雜散無法提前預(yù)估的特點(diǎn)，采用了一種基于ADS軟件仿真的方法進(jìn)行先行計(jì)算。并在軟件仿真基礎(chǔ)上，進(jìn)行了濾波器的設(shè)計(jì)，對(duì)特定的雜散點(diǎn)進(jìn)行分析抑制，以便達(dá)到系統(tǒng)的整體性能要求。該方法可以對(duì)不同頻段的上變頻模塊雜散進(jìn)行計(jì)算仿真，提前預(yù)估雜散，對(duì)濾波器性能進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)，避免設(shè)計(jì)中的反復(fù)修改。且可在仿真鏈路中加入放大器等器件，計(jì)算模塊增益等指標(biāo)。節(jié)約了成本，縮短了項(xiàng)目周期。

關(guān)鍵詞：上變頻模塊;混頻器;濾波器;ADS仿真

中圖分類號(hào)：TN773? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）05-0042-04

Simulation and Design of Millimeter Wave Up-Conversion Module

LEI Xingwang，YUAN Qing，YIN Hua

（Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing? 210016，China）

Abstract：In view of the characteristics of long design cycle of frequency conversion module in RF front-end system of phased array radar and the unpredictability of stray，a method based on ADS software simulation is adopted for the first calculation. On the basis of software simulation，the design of the filter is carried out，and the specific spurious points are analyzed and suppressed，so as to achieve the overall performance of the system. This method can be used to simulate the stray of up-conversion module in different frequency bands，estimate the stray in advance，and design the performance of the filter in order to avoid repeated modification. In addition，amplifiers and other devices can be added into the simulation link to calculate module gain and other indicators. And save cost and shorten project cycle.

Keywords：up-conversion module;mixer;filter;simulation of ADS

0? 引? 言

變頻模塊作為相控陣?yán)走_(dá)中的重要器件，其性能指標(biāo)直接影響雷達(dá)的整體性能。但是由于變頻模塊種類多，頻率、增益、輸出功率、雜散等性能指標(biāo)不同，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不同種類的指標(biāo)性能滿足整體需求的模塊所需的周期較長(zhǎng)。因此，探索一種通用的變頻模塊的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)不同類型變頻模塊的快速設(shè)計(jì)非常有必要[1]。

本文針對(duì)實(shí)際工作中的遇到的一種變頻模塊，通過采用安捷倫公司的ADS軟件仿真的方法逐步分析了模塊中出現(xiàn)的雜散[2-4]，并將設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求與雜散進(jìn)行對(duì)比，對(duì)濾波器的帶外抑制進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的濾波器使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，將S參數(shù)導(dǎo)入仿真鏈路中，可以看出鏈路雜散值，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。

1? 上變頻模塊的原理及分析設(shè)計(jì)

1.1? 設(shè)計(jì)原理框圖

毫米波上變頻模塊主要包含：混頻器、中頻濾波器、射頻濾波器、放大器、本振濾波器、倍頻放大器，以及電源調(diào)制等部分[5]。首先將C波段中頻信號(hào)與經(jīng)過倍頻放大的本振信號(hào)通過混頻器混頻出需要的射頻信號(hào)，通過射頻濾波器濾除相應(yīng)的帶內(nèi)帶外的雜散信號(hào)，并且放大器將變頻之后的射頻信號(hào)放大，達(dá)到所需的信號(hào)幅度功率。毫米波上變頻模塊整體的射頻鏈路如圖1所示。

上變頻模塊頻率分布：中頻（IF）信號(hào)：6～8 GHz;本振（LO）信號(hào)：14 GHz;射頻（RF）輸出信號(hào)：34～36 GHz;雜散要求：帶內(nèi)≥60 dBc（34～36 GHz），帶外≥35 dBc（20～34 GHz & 36～50 GHz）。

倍頻器采用Hittite公司生產(chǎn)的HMC578A芯片，此芯片兼有倍頻以及放大器功能，可以將倍頻信號(hào)進(jìn)行放大，達(dá)到混頻器對(duì)本振輸入功率的要求，節(jié)省一級(jí)本振放大器，節(jié)約成本。且采用裸片的形式，節(jié)省模塊的空間，縮小模塊尺寸，便于小型化設(shè)計(jì)。

混頻器采用國(guó)產(chǎn)的無源雙平衡混頻器，LO和RF頻率為19～40 GHz，中頻IF頻率范圍為DC～20 GHz，變頻損耗為9 dB，本振射頻端口隔離度為30 dB。

1.2? 上變頻模塊雜散分量分析

鏈路中采用了混頻器對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行變換。混頻器是一種具有三個(gè)端口的射頻器件，為達(dá)到頻率變換的目標(biāo)，主要采用非線性器件，通常是采用二極管的非線性特性，從而進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。主要是通過將輸入的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相乘來實(shí)現(xiàn)。但是由于混頻器本身的非線性，會(huì)產(chǎn)生種類繁多的諧波或輸入頻率的其他的頻率分量[6]，如式所示：

f_RF=nf_LO+mf_IF

其中：n，m=0，±1，±2，±3，…;fLO為本振信號(hào)頻率;fIF為中頻輸入信號(hào)頻率;fRF為射頻輸出信號(hào)頻率。

倍頻器是在射頻系統(tǒng)中被廣泛使用的器件，主要功能是能夠把需要的高頻信號(hào)通過輸入較低頻率的信號(hào)通過二倍頻、三倍頻等倍頻形式得到。倍頻器屬于兩端口器件，主要利用器件的非線性產(chǎn)生的諧波，得到所需的信號(hào)頻率。倍頻器輸入信號(hào)：Vicosωit，經(jīng)過倍頻器后，輸出信號(hào)頻率為：Vicosnωit，其中n為正整數(shù)。

上變頻模塊中本振信號(hào)經(jīng)過倍頻器后，使用本振頻率的二倍頻信號(hào)與中頻信號(hào)混頻。由于仿真軟件的局限性，無法將信號(hào)的諧波設(shè)置為無窮多。且信號(hào)頻率的幅度是諧波次數(shù)越高，幅度值越小，對(duì)系統(tǒng)的影響越小。因此對(duì)仿真參數(shù)中本振信號(hào)以及中頻信號(hào)分別設(shè)置為三組參數(shù)：基波信號(hào)、二次諧波信號(hào)、三次諧波信號(hào)。采用ADS軟件對(duì)混頻器雜散分量進(jìn)行仿真，仿真電路以及參數(shù)設(shè)置如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3所示。

分析圖3的仿真結(jié)果可以看出，中頻信號(hào)ωIF=6.4 GHz時(shí)，在帶內(nèi)34.0～36.0 GHz存在雜散信號(hào)35.6 GHz，且此雜散信號(hào)主要是本振信號(hào)的諧波與中頻信號(hào)在混頻器中產(chǎn)生，計(jì)算公式為：f雜散=35.60=-1×fIF+3×fLO。混頻器的本振信號(hào)是14.0 GHz的二倍頻信號(hào)，因此可以在本振信號(hào)進(jìn)入混頻器之前增加本振濾波器，用以抑制28.0 GHz外的基波信號(hào)，以及三倍頻、四倍頻等干擾的諧波信號(hào)。通過分析混頻器中產(chǎn)生的雜散信號(hào)，對(duì)本振濾波器提出要求，主要抑制本振信號(hào)的三倍頻，這樣就可以對(duì)仿真結(jié)果中的雜散信號(hào)進(jìn)行抑制。

將設(shè)計(jì)好的本振濾波器使用安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行探針測(cè)試。測(cè)試的S參數(shù)導(dǎo)入ADS軟件，并將其制作成元器件，加入圖2的本振鏈路中，仿真結(jié)果如圖4所示。

通過分析仿真結(jié)果可以看出，增加的本振濾波器可以對(duì)帶內(nèi)雜散進(jìn)行有效的抑制，但是對(duì)其他的與倍頻無關(guān)的雜散信號(hào)沒有起到抑制作用。

無源雙平衡混頻器對(duì)本振信號(hào)輸入功率要求為10～?13 dBm。本振（LO）到射頻（RF）端口隔離度為30 dB。因RF端口的由LO端口泄漏過來的本振信號(hào)幅度值相對(duì)于射頻信號(hào)也比較大，與射頻信號(hào)幅度值基本相當(dāng)。分析仿真結(jié)果也可以看出，帶外雜散中本振泄漏信號(hào)較大，需對(duì)其進(jìn)行抑制。考慮到模塊的使用要求，射頻濾波器的設(shè)計(jì)主要是需對(duì)本振信號(hào)進(jìn)行抑制。綜合考慮帶外雜散要求，設(shè)計(jì)射頻濾波器。并將射頻濾波器的S2P文件導(dǎo)入，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

將測(cè)試的射頻濾波器S參數(shù)制作成元器件，加入射頻鏈路中，仿真電路以及參數(shù)設(shè)置如如圖6所示。

鏈路仿真結(jié)果如圖7所示。

通過仿真結(jié)果可以看出，通過增加本振濾波器、射頻濾波器可以對(duì)帶內(nèi)帶外雜散進(jìn)行有效的抑制，達(dá)到模塊的要求。

前面分析了鏈路中出現(xiàn)的雜散信號(hào)，濾波器、混頻器等都屬于無源器件，對(duì)信號(hào)都有一定的衰減。考慮到變頻模塊還需要對(duì)輸入的中頻信號(hào)有一定的放大，以便輸出射頻信號(hào)有一定的功率，滿足模塊后續(xù)的使用。根據(jù)變頻模塊原理框圖，結(jié)合指標(biāo)要求，在射頻RF鏈路中加入合適的放大器，以滿足整個(gè)鏈路的增益、輸出功率要求。

2? 毫米波上變頻模塊的實(shí)現(xiàn)

結(jié)合前面的分析仿真，并且充分考慮到模塊的機(jī)加件尺寸以及元器件的合理布局，最終上變頻模塊實(shí)物如圖8所示。經(jīng)過頻譜儀測(cè)試模塊雜散，其性能指標(biāo)可滿足指標(biāo)要求。

3? 結(jié)? 論

本文詳細(xì)介紹了毫米波上變頻模塊的仿真與設(shè)計(jì)，將鏈路設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析研究后，著重介紹了對(duì)倍頻器、混頻器的雜散的軟件仿真分析方法，并通過逐步增加濾波器的方法對(duì)帶內(nèi)帶外雜散進(jìn)行了有效的抑制。最終依據(jù)仿真分析制作了模塊實(shí)物，已實(shí)現(xiàn)了后續(xù)的生產(chǎn)。

針對(duì)后續(xù)類似的不同頻段以及增益、功率的上變頻模塊的雜散及其抑制可采用本文的仿真分析方法，節(jié)約單獨(dú)測(cè)試混頻器的雜散的方法，提高設(shè)計(jì)效率。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：雷興旺（1988.02-），男，漢族，山西平遙人，工程師，碩士，研究方向：變頻收發(fā)組件設(shè)計(jì)。