一種雙頻段跟蹤接收機(jī)下變頻模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉伯文，劉立浩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

地球站伺服跟蹤設(shè)備的基本作用是保證地球站的天線能夠穩(wěn)定、可靠地對(duì)準(zhǔn)通信衛(wèi)星，從而使通信系統(tǒng)能保持正常的工作[1]。地球站天線跟蹤衛(wèi)星的方法有手動(dòng)跟蹤、程序跟蹤和自動(dòng)跟蹤3種[2]，其中自動(dòng)跟蹤可分為3種體制：步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈沖跟蹤[1]。跟蹤接收機(jī)作為伺服跟蹤系統(tǒng)中的核心部件，起著至關(guān)重要的作用。

跟蹤接收機(jī)由下變頻模塊和解調(diào)終端組成[3]，下變頻模塊接收來(lái)自衛(wèi)星的下行信標(biāo)信號(hào)，把信標(biāo)信號(hào)變成中頻信號(hào)，并進(jìn)行放大[4]。文獻(xiàn)[5]介紹了一種用于信標(biāo)接收機(jī)的下變頻模塊，但只支持單Ku頻段(12.25～12.75 GHz)。提出的下變頻模塊將Ku頻段信號(hào)(11.45～11.7 GHz，12.25～12.75 GHz)和Ka頻段信號(hào)(19.6～21.2 GHz)變頻為355 MHz中頻信號(hào)，并進(jìn)行放大和濾波。下變頻模塊的性能指標(biāo)，如相位噪聲和無(wú)關(guān)雜散[6]等，對(duì)跟蹤接收機(jī)的跟蹤性能起著決定性的作用。

1 下變頻模塊設(shè)計(jì)

1.1 中頻選擇

射頻下變頻設(shè)計(jì)通常采用超外差體制，優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)在較低中頻上靠中頻濾波器選擇有用信道并抑制相鄰信道干擾。當(dāng)下變頻輸入頻率為毫米波頻段時(shí)，通過(guò)2次變頻處理既可實(shí)現(xiàn)接收信道的靈活配置，又可獲得較好的鏡頻抑制比[7]。

雙頻段跟蹤接收機(jī)下變頻模塊采用二次變頻方案，Ku1(11.45～11.7 GHz)和Ku2(12.25 ～12.75 GHz)鏈路對(duì)應(yīng)的本振均為低本振，Ka鏈路對(duì)應(yīng)的本振均為高本振，最終輸出無(wú)頻譜倒置。而作為混頻器中的核心器件，混頻器不是一個(gè)理想乘法器，而是一個(gè)能完成相乘功能的非線性器件。變頻過(guò)程中除產(chǎn)生有效信號(hào)外，還將產(chǎn)生許多交調(diào)產(chǎn)物，如組合頻率、本振諧波、鏡頻干擾和鄰道干擾等。為防止這些頻率成分形成干擾，最優(yōu)的方法是保證組合頻率產(chǎn)物不落入中頻范圍內(nèi)。

根據(jù)混頻理論可知，混頻產(chǎn)生的組合頻率成分fmn為：

fmn=mfL±n(fRFO±B/2)，

(1)

式中，fL為本振頻率；fRFO為射頻信號(hào)中心頻率；B為變頻器接收帶寬；m為本振諧波次數(shù)，m=±1，±2，±3...；n為射頻信號(hào)諧波次數(shù)，n=±1，±2，±3...；而fL根據(jù)高低本振的不同可以表示為：

fL=fRFO-(fIFO±BIF/2)(低本振)，

(2)

fL=fRFO+(fIFO±BIF/2)(高本振)，

(3)

式中，fIFO為中頻濾波器中心頻率；BIF為中頻濾波器帶寬。

綜合式(1)、式(2)和式(3)，可得混頻產(chǎn)物落入中頻帶內(nèi)的條件為：

m[fRFO-(fIFO±BIF/2)]±n(fRFO±B/2)∈

[fIFO-BIF/2，fIFO+BIF/2](低本振)，

(4)

m[fRFO+(fIFO±BIF/2)]±n(fRFO±B/2)∈

[fIFO-BIF/2，fIFO+BIF/2](高本振)。

(5)

這樣，當(dāng)射頻信號(hào)頻率和帶寬確定的情況下，選擇合適的中頻頻率fIFO和中頻帶寬BIF，可使得中頻帶寬內(nèi)無(wú)組合雜散或組合雜散很低。

1.2 雜散分析

假如變頻器中有n個(gè)混頻器，分別為M1，M2，...，Mn，對(duì)應(yīng)的本振分別為L(zhǎng)O1，LO2，...，LOn，輸入信號(hào)RF，混頻產(chǎn)物IF可表示為：

IFm0m1...=m0×RF+m1×LO1+...+mn×LOn。

(6)

通常，有用的混頻產(chǎn)物可以表示為：

IF±1±1...±1=±1×RF±1×LO1+...±1×LOn。

(7)

除有用信號(hào)外，其他混頻產(chǎn)物均可視為雜散。在式(6)中，當(dāng)RF的系數(shù)不為0時(shí)，除有用信號(hào)外的雜散為相關(guān)雜散；RF系數(shù)為0時(shí)的雜散為無(wú)關(guān)雜散，即無(wú)關(guān)雜散是由本振間相互混頻產(chǎn)生的[8]。

對(duì)應(yīng)于相關(guān)雜散，當(dāng)混頻器輸入信號(hào)電平控制得足夠低時(shí)，階數(shù)為4次及以上的雜散即使落入帶內(nèi)也是可以接受的；對(duì)于來(lái)自于本振的相關(guān)雜散，需要根據(jù)雜散的產(chǎn)生機(jī)理(鑒相雜散、小數(shù)分頻雜散等)來(lái)加以消除。

對(duì)于無(wú)關(guān)雜散，一方面經(jīng)常需要結(jié)合系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮；另一方面和變頻器的應(yīng)用背景有關(guān)。本文中設(shè)計(jì)的模塊用于跟蹤系統(tǒng)，無(wú)關(guān)雜散易導(dǎo)致接收機(jī)錯(cuò)鎖，所以對(duì)無(wú)關(guān)雜散指標(biāo)要求極其嚴(yán)格。

2 下變頻模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 下變頻方案

跟蹤接收機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，給下變頻模塊預(yù)留的空間有限，對(duì)模塊的體積和功耗提出嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在充分考慮了背景平臺(tái)的基礎(chǔ)上，此變頻模塊采用二次變頻方案，方案如圖1所示。Ku和Ka兩條鏈路對(duì)應(yīng)的本振共用，其中Ku1和Ku2兩個(gè)頻段對(duì)應(yīng)的鏈路為低本振，Ka頻段對(duì)應(yīng)的鏈路為高本振，Ka鏈路第一次混頻選用諧波混頻器。在充分考慮鏡像指標(biāo)和組合雜散指標(biāo)下，確定一中頻頻率范圍為2.764～2.788 GHz，一本振頻率范圍為8.67～11.99 GHz，二本振頻率范圍為2.425～3.135 GHz。Ku1，Ku2，Ka三種頻段對(duì)應(yīng)的一、二本振頻率和一、二中頻頻率如表1所示。

圖1 雙頻段跟蹤接收機(jī)下變頻模塊原理

表1 頻率配置表

輸入頻段一本振頻率/GHz一中頻頻率/GHz二本振頻率/GHz二中頻頻率/GHzKu19.07～9.573.18～3.1882.825～2.8350.355～0.355 1Ku28.27～8.523.18～3.1882.825～2.8350.355～0.355 1Ka10.79～11.593.164～3.183.515～3.5350.354 9～0.355

下變頻模塊的無(wú)關(guān)雜散取決于2個(gè)本振頻率的組合，組合階數(shù)如表2所示。從表2可以看出，一本振和二本振在355 MHz±2 MHz內(nèi)最低組合為9次：2LO1～7LO2，這樣也就保證了最終輸出無(wú)關(guān)雜散指標(biāo)。

表2 無(wú)關(guān)雜散階數(shù)表

輸入頻段一本振頻率/GHz二本振頻率/GHz一本振階數(shù)二本振階數(shù)Ku19.07～9.572.825～2.8352-7Ku28.27～8.522.825～2.835-310Ka10.79～11.593.515～3.5352-7

2.2 本振頻率合成方案

頻率合成技術(shù)是將1個(gè)(或多個(gè))基準(zhǔn)頻率信號(hào)變換為另1個(gè)(或多個(gè))所需頻率信號(hào)的技術(shù)。頻率合成分3類：直接頻率合成(DS)、間接頻率合成(PLL)和直接數(shù)字頻率合成(DDS)。由于3種頻率合成方式均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，目前的發(fā)展趨勢(shì)是將DS、PLL、DDS、混頻器和倍頻等技術(shù)合理組合使用[9]。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種“PLL+DDS+混頻”的頻率合成器，具備低相噪、小步進(jìn)和快速跳頻的性能；文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種基于“偏移源+脈沖鎖相”的頻率合成器，具備低相噪和低雜散的優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一種基于“頻率預(yù)置+諧波混頻”的頻率合成器，具備寬帶低相噪的特性。

一本振輸出頻率范圍為8.27～11.59 GHz，頻率步進(jìn)為8 MHz，其中Ka鏈路對(duì)應(yīng)的本振頻率在諧波混頻時(shí)要2倍頻，倍頻后頻率范圍為16.54～23.18 GHz。一本振頻率合成方案如圖2所示，其采用單環(huán)+小數(shù)分頻模式，這樣不僅保證了相位噪聲指標(biāo)，且避免了采用多環(huán)方案給模塊體積帶來(lái)的壓力。

二本振輸出頻率范圍為2.825～3.535 GHz，頻率步進(jìn)為100 kHz。二本振頻率合成方案如圖3所示，其同樣采用單環(huán)+小數(shù)分頻模式，與一本振頻率合成方案區(qū)別在于反饋支路上沒(méi)有分頻器。

運(yùn)用Hittite公司仿真軟件PLL Analysis & Design Tool對(duì)一、二本振頻率(最高端)相位噪聲指標(biāo)進(jìn)行仿真，仿真曲線如圖4和圖5所示。

圖2 一本振方案

圖3 二本振方案

圖4 一本振相位噪聲仿真曲線

圖5 二本振相位噪聲仿真曲線

2.3 薄膜電路

模塊的輸入頻率為Ku頻段和Ka頻段，工作于這些頻段上的芯片需采用裸管芯形式，而為了與裸芯片進(jìn)行良好的裝配，薄膜電路在此模塊中得到了大量應(yīng)用，且運(yùn)用微組裝工藝對(duì)模塊進(jìn)行組裝。

薄膜基板制造是非常復(fù)雜的電子工藝加工過(guò)程，包含多個(gè)工序，涉及數(shù)十臺(tái)設(shè)備[12-15]，制作流程主要包括基板清洗、濺射、光刻、電鍍、去膠和刻蝕等工序[16-17]。為了保證電路的微波性能，必須嚴(yán)格控制加工過(guò)程中的誤差，當(dāng)產(chǎn)品制造誤差達(dá)到一定程度，電路性能可能會(huì)惡化，尤其是微波和毫米波等較高頻段。該模塊中用到的薄膜電路包括傳輸線陶瓷板和薄膜濾波器等，其中薄膜濾波器采用平行耦合線結(jié)構(gòu)[18-20]。微組裝裝配圖如圖6所示。

圖6 微組裝裝配圖

2.4 測(cè)試結(jié)果

模塊實(shí)物圖如圖7所示，在常溫(+25oC)、低溫(-40oC)和高溫(+70oC)下，用SK3325直流電源、Agilent N8975A噪聲系數(shù)分析儀、Agilent E8257D信號(hào)源和Agilent N9030A頻譜儀對(duì)模塊進(jìn)行了全面測(cè)試。從實(shí)測(cè)結(jié)果看，該模塊支持Ku頻段(11.45～11.7 GHz，12.25～12.75 GHz)和Ka頻段(19.6～21.2 GHz)內(nèi)的所有信標(biāo)頻率，輸出無(wú)關(guān)雜散低于-100 dBm，相位噪聲低于-75 dBc/Hz@100 Hz，-85 dBc/Hz@1 kHz，-85 dBc/Hz@10 kHz，帶寬和相位噪聲指標(biāo)與文獻(xiàn)[5]相比有明顯改善。

圖7 下變頻模塊實(shí)物

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種雙頻段跟蹤接收機(jī)下變頻模塊的設(shè)計(jì)方案，模塊的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。該模塊涵蓋了國(guó)內(nèi)大部分Ku頻段和Ka頻段衛(wèi)星的信標(biāo)頻率，且已在多種平臺(tái)中得到廣泛應(yīng)用，性能穩(wěn)定可靠，有廣泛的應(yīng)用前景。但該模塊二次混頻鏡像抑制指標(biāo)只有-50 dBc，后續(xù)需要在中頻濾波器接地和分腔隔離上做一些處理。