衛星Ka 全頻段多中頻變頻信號處理技術研究

黎媛捷，張雷霆，王正峰，沈靖，安天琪

（上海衛星工程研究所，上海，200240）

0 引言

Ka 波段信號具有波束指向性強、信息容量高的特性，近些年廣泛應用于衛星通訊系統中。但也由于Ka 信號使用范圍廣的特點，從傳統的空對地方向（17.7～21.2GHz）到衛星星座通訊（25～33GHz）都有廣泛的應用，給衛星地面測試系統帶來極大的挑戰。傳統的Ka 變頻器僅有3Ghz 變頻帶寬且輸出中頻信號固定，無法適應不同場景的測試，需要頻繁更換變頻器。這也導致變頻器種類繁雜，研制周期極長，大大降低了型號研制進度；且隨著一型衛星研制任務結束，此型衛星地面測試所使用變頻器也面臨封存的風險，造成了資源的極大浪費。因此亟需對Ka 全頻段變頻信號處理技術進行研究，設計一款Ka 全頻段、多類中頻信號的變頻器。

1 總體方案設計

傳統的變頻器往往使用一次變頻至中頻信號，如圖1所示，此種方案具有成本低、組合干擾少的特點。

圖1 傳統變頻器變頻原理示意圖

圖2 基于分頻開關切換變頻的原理圖

但針對Ka 全波段、多中頻的變頻需求，由于單個濾波器無法消除鏡頻抑制等信號干擾，傳統設計方案顯得力不從心。但利用射頻開關與濾波器組合就可很好實現對鏡頻抑制的消除。本方案通過電子開關選擇六段信號分別濾波進入通道變頻，2.4GHz、1.5GHz、和720MHz 中頻經過兩次變頻，70MHz 中頻經過三次變頻，后經過放大、開關、濾波、變頻變換后得到中頻信號，中頻可以通過電子開關選擇四個中頻帶寬中的一種中頻輸出。

由于混頻器的非線性，RF 和LO 信號進行混頻后，除了產生需要的IF 信號，必然還會產生其他交調產物，如組合頻率、本振諧波、鏡頻干擾和鄰道干擾等。其中組合干擾頻率計算如式1 所示：

其中，f∑為混頻后輸出組合信號（其中包括需要的中頻頻率和組合干擾），fRF為射頻信號，fLO為為本振信號。m，n為諧波次數，m,n=0,1,2,...。對于窄帶系統，可以通過合理的設計濾波器來濾除不需要的干擾。而對于寬帶系統，由于信號帶寬較寬，組合干擾容易落到中頻帶寬內，濾波器難以濾除。因而必須更加合理謹慎的設計變頻方案，來避開各種交調產物的干擾。而多次變頻方案中的信號環境更加復雜，因此需要使用EDA 軟件進行仿真，優化參數設計。

2 鏡頻抑制設計

Ka 全頻段變頻信號處理方案最大的優勢是使用前端射頻開關與濾波器組分段方法來抑制鏡頻抑制，實現了單獨使用濾波器難以達到的效果。經仿真，第一級射頻開關濾波器抑制44dB，第二級開關濾波器抑制50dB，合計抑制大于95dB，滿足鏡頻抑制大于80dB 的要求。圖3 分別是18GHz～25GHz 射頻濾波器抑制、25GHz～33GHz 射頻濾波器抑制仿真圖。

圖3 靜頻抑制仿真圖

3 雜散抑制與本振設計

由于Ka 通訊有著數據通量大的特點，頻率偏移至中頻后所需帶寬也較大，例如1.5Ghz 中頻模式下，所需數據帶寬為 。因此設計中需著重考慮寬，其組合干擾式如下：

則變頻中，高階雜散不與中頻信號產生交疊的必要條件應同時滿足式(3)和(4)：

其中B 為信號帶寬，fRFo為射頻信號中心頻點，fIFo為中頻信號中心頻點。

如下根據仿真結果使用了如表所示的變頻方案，采用此方案雜散均小于-60dBc，圖4 是2 次變頻的雜散仿真圖。

表1 各次混頻后的接收通道雜散電平組合仿真結果

圖4 雜散仿真圖

根據上文的仿真思路，選擇合適的器件搭建本振電路，如圖5 所示。

圖5 時鐘及本振頻率源設計

一本振信號由鎖相環產生（12～19.5）GHz 的基頻信號后二倍頻產生，恒溫晶振產生的100MHz 信號輸入鑒相器后二分頻產生50MHz 信號作為鑒相頻率,鑒相器誤差電壓經運放構成的有源環路作用于調諧電壓端,控制VCO 輸出（12～19.5）GHz,步進為50MHz 的點頻信號，后經無源二倍頻器進行倍頻，可以滿足一本振輸出頻率（24～39）GHz 的要求。

二本振信號由鎖相環3 產生的三個可變點頻信號作為頻標，頻率為6420、7200、8100MHz；鎖相環4 產生的頻率范圍250～350MHz，混頻后經開關濾波產生。

三本振信號由鎖相環鎖定內部VCO 至2600MHz，片內輸出4 分頻產生650MHz 點頻信號，經濾波放大產生。

4 相位噪聲

本方案使用高本振方案，其相對于低本振方案雜散更好控制，由于本振帶寬更寬、頻率更高，相位噪聲控制難度更高，因此對本振相位噪聲進行仿真，優化器件選擇，如表所示為三個本振在10Hz～1MHz 下的相位噪聲，均滿足要求。

表2 相位噪聲仿真結果

設備完成搭建后，對實際相位噪聲進行測試，經測量與仿真大致相符，二本振頻標信號相噪仿真與實際測量曲線對比圖如圖6所示。

圖6 二本振頻標信號相噪仿真曲線與實際曲線對比

5 實際測試效果

基本指標測試結果如表3 所列。測試結果表明各項指標均滿足衛星測試需求。

表3 變頻器實測技術指標

6 結論

本文基于分頻開關切換的變頻信號處理方案，通過EDA仿真計算，設計了一種全頻段、多中頻的下變頻器，利用三次變頻與分頻開關切換方案，可將Ka 全頻段（18～33G）下變頻至多類中頻信號（70M/720M/1.5G/2.4GHz），可滿足衛星各復雜場景測試需求。測試數據表明，此下變頻器性能良好，目前該設備已應用到多個衛星型號測試系統中。