毫米波倍頻衰減組件研究

常 巍

(中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所市場(chǎng)營銷部，河北石家莊 050051)

現(xiàn)用的微波頻段越來越擁擠，毫米波頻段成為急待開拓的微波頻段之一，該頻段在保密、抗干擾等方面比其他微波頻段有著明顯的優(yōu)勢(shì)。在該頻段產(chǎn)生性能穩(wěn)定的信號(hào)是毫米波系統(tǒng)必不可少部分，實(shí)現(xiàn)該目的方式之一是將性能穩(wěn)定的低頻段信號(hào)經(jīng)過倍頻到較高的毫米波頻段，再通過精確的數(shù)控衰減設(shè)計(jì)，控制信號(hào)的大動(dòng)態(tài)變化［1］。本套組件的功能是將Ku波段信號(hào)通過倍頻變到毫米波Ka波段信號(hào)，然后進(jìn)行放大濾波、數(shù)控衰減通過喇叭天線發(fā)射出去，多套本單元并排組成面陣通過各自的天線發(fā)射毫米波信號(hào)。

1 電路結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

本套組件用倍頻放大、數(shù)控衰減工作鏈，完成發(fā)射功能。毫米波放大、倍頻和大動(dòng)態(tài)衰減的設(shè)計(jì)是整個(gè)組件系統(tǒng)的關(guān)鍵部件［2］。

1.1 關(guān)鍵技術(shù)

有源二倍頻器、兩級(jí)大動(dòng)態(tài)的衰減器和端口轉(zhuǎn)換技術(shù)為關(guān)鍵技術(shù)。

(1)有源二倍頻器的實(shí)現(xiàn)。從頻域的觀點(diǎn)來看，倍頻是將微波頻率按整數(shù)倍增長。實(shí)現(xiàn)倍頻最簡單的方法是用非線性電阻或電抗，利用其非線性進(jìn)行頻率變換。然后用濾波電路選取其中所需的諧頻信號(hào)，而將基頻和不需要的諧波加以抑制［3］。對(duì)于有源二倍頻器，采用二倍頻加寬帶有源放大的方式實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。二倍頻采用前面所介紹的原理，產(chǎn)生二次諧波后經(jīng)放大輸出，即可達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)。倍頻電路為FET管倍頻電路形式，通過調(diào)節(jié)FET管柵偏壓及漏偏壓，使FET管工作在合適的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)二次倍頻功能。

倍頻電路由3級(jí)電路組成，通過調(diào)節(jié)第1級(jí)FET管柵偏壓實(shí)現(xiàn)二次倍頻功能，2、3級(jí)電路實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的放大，倍頻器電路如圖1所示。

圖1 倍頻器電路圖

輸入信號(hào)Ku波段、帶寬1 GHz、輸入功率12～13 dB;輸出信號(hào) Ka波段、帶寬 2 GHz、輸出功率12 dB。

(2)大范圍衰減量的實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)大范圍的衰減量采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式，每級(jí)實(shí)現(xiàn)45 dB的衰減。衰減器單元主要由波導(dǎo)轉(zhuǎn)換和衰減兩部分組成。在此衰減器中輸出端為波導(dǎo)口，而衰減電路是在微帶電路中實(shí)現(xiàn)的。

本模塊由電調(diào)衰減器和控制電路兩部分組成，衰減器采用FET晶體管的電路形式。當(dāng)給FET管加上連續(xù)變化的偏置時(shí)，F(xiàn)ET管導(dǎo)通電阻將隨偏置而連續(xù)變化，從而達(dá)到改變吸收支路阻抗的目的，當(dāng)微波信號(hào)在主傳輸線上傳輸時(shí)，將在吸收支路上產(chǎn)生不同程度的衰減，可采用多級(jí)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)大的衰減動(dòng)態(tài)范圍和較寬的頻帶響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上加上控制電路，將BCD數(shù)碼轉(zhuǎn)換成模擬電壓量來控制電調(diào)衰減器的衰減量，即可實(shí)現(xiàn)可編程控制的衰減器［4－6］。

該衰減器工作于毫米波段，在此頻率下，級(jí)間匹配、腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)系到大動(dòng)態(tài)衰減量的實(shí)現(xiàn)，通過HFSS仿真設(shè)計(jì)，采取了合理的窄腔結(jié)構(gòu)、通過兩級(jí)間波導(dǎo)隔離器解決良好的級(jí)聯(lián)匹配，最終實(shí)現(xiàn)了超大衰減動(dòng)態(tài)范圍，可在Ka波段保證90 dB的大衰減。

(3)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。衰減器單元主要由波導(dǎo)轉(zhuǎn)換和衰減兩部分組成，衰減電路是在微帶電路中實(shí)現(xiàn)的，要解決波導(dǎo)對(duì)微帶電路的轉(zhuǎn)換。波導(dǎo)轉(zhuǎn)換采用微波探針形式，具有體積較小、插損小、頻帶寬、測(cè)試方便等優(yōu)點(diǎn)。通過電磁場(chǎng)仿真軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)微帶—波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)［7］。26.5～40 GHz寬頻帶微帶—波導(dǎo)轉(zhuǎn)換采用了具有密封性的絕緣子探針結(jié)構(gòu)，電磁場(chǎng)仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 微帶—波導(dǎo)轉(zhuǎn)換3D電磁場(chǎng)仿真圖及結(jié)果

通過仿真可以看到，此絕緣子探針結(jié)構(gòu)損耗在28～40 GHz，＜0.3 dB、反射損耗 11 dB，26～28 GHz損耗接近1 dB、反射損耗7 dB，因此在28～40 GHz的寬帶范圍內(nèi)，此探針結(jié)構(gòu)體積較小、插損小、密封性好、使用方便。

1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，主要將Ku波段帶寬1 GHz的微波信號(hào)倍頻為Ka波段帶寬2 GHz的毫米波信號(hào)，輸入功率范圍在0～5 dB，經(jīng)放大到11～12 dB后進(jìn)入倍頻器，倍頻后再放大到約12 dB，經(jīng)過濾波、數(shù)控衰減器損耗，輸出信號(hào)幅度在0±3 dB范圍內(nèi)。毫米波數(shù)控衰減器為大動(dòng)態(tài)90 dB衰減范圍，分為兩級(jí)實(shí)現(xiàn)，每級(jí)45 dB衰減，步進(jìn)為1 dB，采用雙6位TTL電平控制，編碼狀態(tài)為1、2、4、8、16、32 dB。當(dāng)衰減器工作時(shí)，輸出電平動(dòng)態(tài)范圍約為0～－90 dB［8－9］。指標(biāo)分配如圖3所示。

圖3 指標(biāo)分配圖

輸入頻率為Ku波段;輸入功率為0～5 dB;輸出頻率為Ka波段;輸出功率為0±3 dB;毫米波數(shù)控衰減器為90 dB;步進(jìn)為1 dB，雙6位TTL控制。

輸出毫米波信號(hào)為大動(dòng)態(tài)90 dB衰減范圍，分為兩極實(shí)現(xiàn)，每級(jí)獨(dú)立腔體、窄腔結(jié)構(gòu)，每級(jí)50 dB衰減。為防止級(jí)間信號(hào)串?dāng)_，大動(dòng)態(tài)衰減難以實(shí)現(xiàn)，兩極間采用隔離器良好隔離最終實(shí)現(xiàn)了90 dB衰減。

組件采用SMA(Female)輸入，320波導(dǎo)輸出，為了具有良好的屏蔽性能，采用分腔結(jié)構(gòu)。這就要求對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布局，充分考慮確定盒體結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)上采用多腔結(jié)構(gòu)，射頻部分和電源部分分別位于不同腔體，兩腔體連接采用穿孔的方式防止了信號(hào)的串?dāng)_。在該產(chǎn)品中使用了裸芯片，為減小外界環(huán)境對(duì)裸芯片的影響，在結(jié)構(gòu)上將盒蓋設(shè)計(jì)為嵌入式，增加了一定的密封性。

2 達(dá)到的技術(shù)水平

該組件制作完成后搭建測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)原理圖

達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo):輸入頻率為 Ku波段(1 GHz帶寬);輸出頻率為Ka波段(2 GHz帶寬);輸入功率為0～5 dB;輸出功率為0±1 dB;毫米波數(shù)控衰減器最大動(dòng)態(tài)為89～92 dB;毫米波數(shù)控衰減器步進(jìn)為1 dB。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 輸入頻率改變時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 輸出頻率改變時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)

從測(cè)試結(jié)果可看到，組件在2 GHz帶寬內(nèi)小衰減比較平坦，50 dB以上的大衰減平坦變差，約達(dá)到3 dB，最終在Ka波段實(shí)現(xiàn)了衰減器89～92 dB的最大動(dòng)態(tài)。

3 結(jié)束語

該組件實(shí)現(xiàn)了較好的性能指標(biāo)，尤其在Ka波段實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)衰減，可對(duì)毫米波信號(hào)的大小精確控制，可廣泛應(yīng)用于毫米波通信、雷達(dá)系統(tǒng)及毫米波精確制導(dǎo)前端、民用射電天文等系統(tǒng)，并具有良好的市場(chǎng)前景。

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