EHF頻段集成上變頻器研制*

張能波

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

目前，衛(wèi)星通信的頻率主要集中在C、Ku、Ka幾個(gè)大氣衰減較小的頻帶內(nèi)，但是隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星的軌道和頻譜越來越擁擠。相比其他頻段，極高頻(Extremely High Frequency，EHF)頻段[1-2]具有頻段寬、容量大、傳輸速率快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)是下一代衛(wèi)星通信的優(yōu)選頻段。

國外對EHF頻段設(shè)備的研制較早。1994年，美國就有了Milstar系統(tǒng)，目前已經(jīng)發(fā)展到了第三代。英國也擁有EHF頻段的Skynet系統(tǒng)。國外文獻(xiàn)研究大多集中在EHF頻段的接收、發(fā)射系統(tǒng)以及變頻芯片上。文獻(xiàn)[3]報(bào)道了一種采用GaAS工藝的EHF頻段諧波混頻芯片的研制，工作頻率43.5～50 GHz，本振抑制度大于25 dB，變頻損耗小于12 dB。

我國衛(wèi)星通信設(shè)備技術(shù)研究較晚，目前軍事通信衛(wèi)星地面站只覆蓋了C、Ku、Ka頻段，EHF頻段的衛(wèi)星通信還處于起步階段。EHF頻段的變頻器文獻(xiàn)報(bào)道較少，目前大多集中在Ka頻段及以下。文獻(xiàn)[4]報(bào)道了一種EHF頻段上變頻器的研制，采用三次變頻方案，雜波抑制小于-55 dBc，輸出功率大于16 dBm。這種多次變頻方案結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積較大。

因此，EHF頻段上變頻器[5]作為EHF發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，有必要開展研究，為EHF頻段的衛(wèi)星通信打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文采用新穎的諧波混頻結(jié)合寬帶匹配濾波電路設(shè)計(jì)技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、混頻雜散分量較少、變頻損耗與基波混頻相當(dāng)，本振源制作難度低等優(yōu)點(diǎn)，有效解決了低中頻下的雜散抑制問題；采用平行耦合濾波器對混頻雜波分量進(jìn)行濾除，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，寄生通帶高，便于與模塊微帶集成電路集成，實(shí)現(xiàn)上變頻電路的一體化設(shè)計(jì)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的EHF頻段的上變頻器應(yīng)用于20 W的EHF頻段發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中。根據(jù)整機(jī)的指標(biāo)要求，上變頻器的指標(biāo)要求如表1所示。

表1 上變頻模塊技術(shù)指標(biāo)

從指標(biāo)要求看，上變頻的輸入中頻較低，2LO+2IF離帶內(nèi)較近，無法用濾波器濾除，同時(shí)虛本振離帶內(nèi)也較近，需要混頻器本身對虛本振和2LO+2IF抑制較高，還需要濾波器對虛本振有足夠的抑制；而帶外雜散要求60 dB，傳統(tǒng)的基波或者諧波混頻芯片的虛本振抑制和2LO+2IF的抑制不能滿足要求，這是本項(xiàng)目的難點(diǎn)。本文根據(jù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)了一款新型的諧波混頻器和易于集成的微帶濾波器，完美解決了雜散抑制的難題，同時(shí)模塊集成了衰減控制、混頻、濾波、放大等功能，實(shí)現(xiàn)了模塊的一體化、集成化設(shè)計(jì)，其電路組成框圖如圖1所示。

圖1 上變頻模塊電路組成框圖

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)功率、增益和雜散的要求，上變頻模塊主要組成部分包括本振匹配濾波網(wǎng)絡(luò)、中頻放大及匹配濾波網(wǎng)絡(luò)、混頻器、射頻匹配濾波網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動(dòng)放大器、末級(jí)放大器等，所有電路采用微波集成電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一體化、集成化的設(shè)計(jì)。

2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.1 諧波混頻器設(shè)計(jì)

混頻器是整個(gè)模塊的關(guān)鍵電路。混頻器通常使用GaAs肖特基勢壘二極管，其具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、頻帶較寬，截止頻率比較高等特點(diǎn)。通過采用反向并聯(lián)二極管對(Anti-Paralleled Diodes Pair,APDP)來實(shí)現(xiàn)偶次諧波混頻[6-9]，其電路原理如圖2所示。

圖2 偶次諧波混頻器原理圖

根據(jù)二極管的伏安特性曲線，當(dāng)二極管外加電壓遠(yuǎn)大于熱電壓時(shí)，反向并聯(lián)二極管對的內(nèi)部電流i1、i2和管對外部電流ic分別近似為

i1=g(vLO+vRF)=∑Amn(vLO)m(vRF)n,

(1)

i2=g(-vLO-vRF)=

∑Amn(-vLO)m(-vRF)n=

∑Amn(-1)m+n(vLO)m(vRF)n,

(2)

ic=i1-i2=

(3)

式中：函數(shù)i=g(v)為單個(gè)肖特基勢壘二極管的伏安特性函數(shù)，m、n取任意整數(shù)，VLO、VRF分別為二極管上的本振和射頻電壓分量。由式(1)～(3)可知，當(dāng)|m|+|n|為偶數(shù)時(shí)，肖特基勢壘二極管對的外部電流ic=0；當(dāng)|m|+|n|為奇數(shù)時(shí)，外部電流ic含有本振和射頻信號(hào)的頻譜組合分量，即ω=mωRF±nωLO。由于APDP的反對稱V-I特性，并且其制作工藝保證了兩只二極管特性的精確匹配，諧波混頻器[10-11]可以實(shí)現(xiàn)混頻分量中偶次組合波(包括本振和中頻偶次諧波)的良好抑制，一般可達(dá)40 dB以上，在EHF頻段典型變頻損耗為10～12 dB，略大于基波混頻器。同時(shí)，本振頻率大約只有射頻信號(hào)頻率的一半，本振和射頻信號(hào)隔離度高，可以降低本振源的制作難度。

本振信號(hào)通過SMA(Subminiature version A)接頭饋入，經(jīng)過濾波網(wǎng)絡(luò)和寬帶匹配電路進(jìn)入二極管對；中頻信號(hào)通過濾波網(wǎng)絡(luò)和寬帶匹配電路進(jìn)入二極管對；射頻信號(hào)經(jīng)過二極管對產(chǎn)生之后通過高通濾波網(wǎng)絡(luò)和寬帶匹配電路輸出。混頻器的整體仿真模型如圖3所示。

圖3 偶次諧波混頻器仿真模型

介質(zhì)基片選用較低介電常數(shù)RT/Duriod5880，介電常數(shù)為2.2，基片厚度為0.127 mm，金屬厚度為0.018 mm。在高頻場仿真軟件HFSS中建立中頻匹配濾波網(wǎng)絡(luò)、射頻匹配濾波網(wǎng)絡(luò)、本振匹配濾波網(wǎng)絡(luò)等模型，仿真后將得到的S參數(shù)導(dǎo)入到諧波平衡仿真軟件ADS中，利用諧波平衡法對整個(gè)電路進(jìn)行仿真，中頻頻率為0.95 GHz，本振頻為21.475 GHz，本振功率為10 dBm，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 偶次諧波混頻器變頻損耗仿真結(jié)果

圖5 偶次諧波混頻器輸出頻譜仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，偶次諧波混頻器在43.9～44.5GHz的范圍內(nèi)插入損耗小于7.5 dB，帶內(nèi)波動(dòng)小于1 dB。輸出頻譜分量中混頻器對2LO+2IF抑制約64 dB，虛本振的抑制約40 dB。表2為國內(nèi)和國外典型的諧波變頻芯片數(shù)據(jù)，可以看出，國內(nèi)中國電科十三所的芯片虛本振抑制約為30 dB，2LO+2IF抑制約48 dB；國外HMC338的虛本振抑制約19 dB，2LO+2IF抑制約55 dB；本文的諧波混頻器指標(biāo)在虛本振抑制和中頻偶次分量抑制上均優(yōu)于國內(nèi)外變頻芯片數(shù)據(jù)，有效解決了低中頻導(dǎo)致的雜散問題。

表2 國內(nèi)外諧波混頻芯片測試數(shù)據(jù)對比

2.2 射頻濾波器設(shè)計(jì)

從圖5的仿真結(jié)果可以看出，混頻器產(chǎn)生的最靠近射頻通帶的組合波為2×fLO+2×fIF=44.85 GHz和2×fLO=42.95 GHz。其中，44.85 GHz離工作頻帶350 MHz，濾波器無法濾除，諧波混頻器自身抑制約65 dB，可以滿足設(shè)計(jì)要求；42.95 GHz理論上諧波混頻器抑制為50 dB，經(jīng)仿真約為-40 dBc，這需要濾波器在該點(diǎn)的抑制達(dá)到20 dB以上，而42.95 GHz離工作頻帶的下邊帶只有900 MHz，加大了濾波器的設(shè)計(jì)難度，通常離邊帶比較近的雜波采用高Q值的波導(dǎo)濾波器濾除，但是波導(dǎo)濾波器體積大，不便于實(shí)現(xiàn)上變頻模塊的集成化和小型化設(shè)計(jì)，因此，本文擬采用傳統(tǒng)的微帶平行耦合濾波器實(shí)現(xiàn)。

平行耦合濾波器因其成本低、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、寄生通帶高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用，同時(shí)易于集成，便于上變頻模塊的一體化設(shè)計(jì)。

綜合尺寸和所考慮頻率處的衰減選用濾波器為3級(jí)5階，根據(jù)設(shè)計(jì)公式設(shè)定各階的尺寸，選用厚度為0.254 mm、介電常數(shù)為9.6的陶瓷基片，在HFSS中建立濾波器的模型，仿真結(jié)果如圖6所示。

(a)濾波器HFSS仿真模型

從仿真結(jié)果可以看出，濾波器對虛本振抑制約為40 dB，鏡頻抑制約為30 dB。電路采用兩級(jí)濾波器級(jí)聯(lián)，雜散指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 上變頻鏈路設(shè)計(jì)

根據(jù)變頻模塊的技術(shù)指標(biāo)，上變頻器模塊包含溫補(bǔ)、衰減、混頻、濾波、放大等多個(gè)環(huán)節(jié)，如圖7所示。

圖7 上變頻器模塊鏈路框圖

中頻電路包括輸入π型衰減，用于改善輸入駐波和調(diào)整整機(jī)增益，數(shù)控衰減實(shí)現(xiàn)整機(jī)的衰減控制功能，溫補(bǔ)衰減器用于補(bǔ)償放大器的高低溫增益波動(dòng)。射頻電路包括溫補(bǔ)衰減器、射頻濾波器、均衡器、驅(qū)動(dòng)放大器、末級(jí)放大器。溫補(bǔ)衰減器主要用于改善功放芯片的高低溫增益波動(dòng)，射頻濾波器主要濾除本振泄露和混頻器的高階雜散分量。均衡器是根據(jù)其他器件的幅頻響應(yīng)曲線用于補(bǔ)償整個(gè)鏈路的幅頻響應(yīng)特性，驅(qū)動(dòng)放大器是根據(jù)鏈路增益要求提供合適增益，器件盡量選用單調(diào)一致的幅頻響應(yīng)曲線，最終選用Hittite公司的HMC1016，在所需頻段能夠提供大于20 dB的增益，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率大于等于23 dBm。考慮到鏈路采用了多級(jí)濾波器和溫度補(bǔ)償電路，采用了三級(jí)驅(qū)動(dòng)放大電路來滿足增益要求。末級(jí)放大器主要是滿足模塊的輸出功率要求，選用了TriQuint公司的TGA4046。該芯片在工作頻段內(nèi)能提供大于17 dB的增益，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率大于等于32 dBm。混頻器采用了新型的諧波混頻結(jié)構(gòu)，可以降低本振和中頻偶次諧波分量，同時(shí)降低本振頻率，減小了本振源的實(shí)現(xiàn)難度。

在模塊結(jié)構(gòu)和電路布局上，電路采用了分區(qū)布局，減小中頻、本振、射頻鏈路之間相互泄露串?dāng)_；結(jié)構(gòu)上采用合適的電路約束腔，以減少空間的輻射干擾。

3 樣機(jī)研制結(jié)果

整個(gè)上變頻模塊采用一體化設(shè)計(jì)，微帶片和微波集成電路通過導(dǎo)電銀漿粘接在腔體上，相互之間通過金絲鍵合互聯(lián)。整個(gè)上變頻模塊尺寸為66 mm×64 mm×12 mm，質(zhì)量0.12 kg，其實(shí)物照片如圖8所示。

圖8 上變頻模塊版圖和實(shí)物圖

模塊調(diào)試完成后進(jìn)行了指標(biāo)測試，結(jié)果如表3所示。可以看出，上變頻器的增益、雜散、輸出功率等指標(biāo)十分優(yōu)良，與仿真和分析結(jié)果基本符合，完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。表中列舉了文獻(xiàn)[4]的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。文獻(xiàn)[4]采用了多次上下變頻方案來避免雜散問題，選用了變頻芯片進(jìn)行混頻，這種經(jīng)過多次變頻、濾波的電路復(fù)雜度高、集成難度大，容易帶來額外的雜散信號(hào)。從測試數(shù)據(jù)看，本文的諧波混頻器各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于文獻(xiàn)[4]的EHF變頻器。

表3 上變頻模塊指標(biāo)測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文以反向并聯(lián)肖特基二極管對為非線性器件，完成了EHF頻段偶次諧波混頻器的設(shè)計(jì)；采用小型化平行耦合濾波器替代傳統(tǒng)的波導(dǎo)濾波器，采用一體化設(shè)計(jì)完成了上變頻器的研制。該上變頻模塊已成功應(yīng)用于EHF頻段的20 W發(fā)射機(jī)上。同時(shí)，EHF頻段上變頻器可以擴(kuò)展應(yīng)用到EHF頻段其他輸出功率的發(fā)射系統(tǒng)中，其成功研制將為我國EHF頻段軍事通信衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是，上變頻器的雜散指標(biāo)和仿真有偏差，同時(shí)模塊的集成度上還沒有達(dá)到最優(yōu)，模塊體積偏大。下一步將重點(diǎn)解決諧波混頻器的優(yōu)化和電路集成度的優(yōu)化布局。