一種Ka頻段單通道調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉紅杰，竇 驕，石 雷，王雪賓

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

0 引言

單通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)具有系統(tǒng)復(fù)雜程度小，通道占有少的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)有星載天線跟蹤系統(tǒng)多采用單通道單脈沖跟蹤體制[1]。單通道調(diào)制器是單通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是利用低頻調(diào)制信號(hào)對(duì)多模饋源生成的差信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，再與和信號(hào)進(jìn)行合成，從而形成包含天線指向誤差信息的單通道調(diào)幅信號(hào)[2]。

微組裝技術(shù)是新一代電子組裝技術(shù)，它使用高密度多層電路基板，采用微焊接、引線鍵合等工藝將多個(gè)半導(dǎo)體裸芯片裝貼在電路基板上，實(shí)現(xiàn)物理和電氣連接。微組裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備小型化、高性能、高可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一，在軍民領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[3-4]。

本文采用多芯片微組裝技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種Ka頻段單通道調(diào)制器，具有高集成度、小型化、噪聲系數(shù)低、載波抑制度好、調(diào)制抑制高等特點(diǎn)。

1 Ka頻段單通道調(diào)制器設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

Ka頻段單通道調(diào)制器的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所列。

1.2 設(shè)計(jì)方案

Ka頻段單通道調(diào)制器應(yīng)具有如下功能：

1)對(duì)來自天線多模饋源的Ka頻段和、差信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大、濾波，以滿足系統(tǒng)的G/T值要求；

2)對(duì)差信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制；

3)對(duì)和、差信號(hào)進(jìn)行合路下變頻到S頻段；

4)對(duì)X頻段本振信號(hào)以及S頻段中頻輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理；

5)對(duì)輸入的+5V/-5V電源進(jìn)行濾波、分壓，以滿足不同微波裸芯片的供電需求。

單通道調(diào)制器主要包括電源及開關(guān)驅(qū)動(dòng)、射頻電路和結(jié)構(gòu)殼體三部分。射頻電路分為和支路通道、差支路通道、和差支路合路下變頻三部分。射頻電路原理框圖如圖1所示。

表1 Ka頻段單通道調(diào)制器設(shè)計(jì)指標(biāo)要求Tab.1 Design requirement of Ka band single channel modulator

圖1 射頻電路原理框圖Fig.1 The schematic of RF circuit

對(duì)和通道的鏈路增益和噪聲系數(shù)進(jìn)行了預(yù)算，結(jié)果如表2所列，由計(jì)算結(jié)果可知和支路的增益為31.8dB，噪聲系數(shù)為1.93dB。

Ka頻段和、差信號(hào)通過波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換進(jìn)入單通道調(diào)制器。對(duì)單通道調(diào)制器設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析，并查閱大量現(xiàn)有的低噪聲放大器裸芯片技術(shù)手冊(cè)，和、差支路均采用兩級(jí)低噪聲放大器單片，可以滿足增益、噪聲系數(shù)等指標(biāo)要求。所選低噪放芯片型號(hào)為WFD190240-L16，其主要電性能指標(biāo)如表3所列。和通道支路完成和路信號(hào)放大、濾波；差通道支路完成差路信號(hào)放大、濾波、0/π調(diào)制；然后和、差兩路信號(hào)合路后通過諧波混頻器下變頻到S頻段。

電源及開關(guān)驅(qū)動(dòng)部分將+5V/-5V直流輸入電壓經(jīng)過分壓、濾波處理后提供給通道內(nèi)各有源芯片使用。開關(guān)驅(qū)動(dòng)器將輸入的低頻調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為滿足0/π調(diào)制器要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

宇航用混合集成電路尤其是微波組件，主要采用金屬管殼進(jìn)行氣密性封裝，密封保護(hù)功能對(duì)于宇航用高可靠混合集成電路產(chǎn)品尤為重要，可保證產(chǎn)品在地面試驗(yàn)、發(fā)射、空間運(yùn)行等各種復(fù)雜環(huán)境中免受外部腐蝕性氣體的侵蝕，同時(shí)能夠耐受沖擊振動(dòng)和空間輻照[5-7]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用鋁鍍金工藝，該工藝為成熟工藝，滿足微組裝粘接要求和有源芯片散熱要求；密封采用激光封焊技術(shù)，封焊過程中在殼體內(nèi)部填充惰性氣體氮?dú)?，封焊完成后氮?dú)獗环獯嬖诮Y(jié)構(gòu)殼體內(nèi)部，對(duì)微波裸芯片起到保護(hù)作用。

表2 和通道鏈路計(jì)算Tab.2 The link calculation of sum channel

表3 Ka頻段低噪放芯片電特性參數(shù)Tab.3 Ka band LNA chip electrical characteristic parameter

2 功能電路仿真與設(shè)計(jì)

2.1 波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Ka頻段和、差信號(hào)采用BJ260波導(dǎo)作為輸入接口，為了實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)到微帶電路的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)波導(dǎo)微帶密封轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[8-9]，將天線傳來的和、差信號(hào)由矩形波導(dǎo)的TE10模轉(zhuǎn)換為微帶線的準(zhǔn)TEM模。完成波導(dǎo)與微帶電路間的轉(zhuǎn)換至關(guān)重要，常見的波導(dǎo)-微帶過渡技術(shù)主要有三種：脊波導(dǎo)形式過渡、探針形式過渡、以及對(duì)脊鰭線過渡[10-12]。本文波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)采用微帶平面與波導(dǎo)E面平行的設(shè)計(jì)方法[13]，微帶與波導(dǎo)E面間采用同軸探針連接，同軸探針選用射頻玻璃絕緣子，絕緣子一側(cè)插入BJ260波導(dǎo)腔體寬邊中心位置，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與探針耦合，另一側(cè)焊接在微帶線上。其仿真模型和仿真結(jié)果見圖2、圖3所示。

圖2 波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換三維模型Fig.2 The 3D model of waveguide microstrip conversion

圖3 波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換三維仿真結(jié)果Fig.3 The 3D simulation results of waveguide microstrip conversion

2.2 薄膜濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

微波濾波器是收發(fā)前端的重要部件，其作用是濾除鏡像頻率和信道中的各種諧雜波，其性能的優(yōu)劣對(duì)前端影響很大。波導(dǎo)濾波器的優(yōu)點(diǎn)是帶內(nèi)插損小、帶外抑制度高、矩形系數(shù)好，其缺點(diǎn)是體積大，質(zhì)量重，不能與微帶電路進(jìn)行集成。微帶濾波器在Ka頻段對(duì)加工精度要求高，而軟基板加工工藝和線條精度很難滿足實(shí)際要求，因此Ka頻段微帶濾波器實(shí)際測(cè)試結(jié)果很難達(dá)到仿真設(shè)計(jì)值，插入損耗、帶內(nèi)平坦度和帶外抑制度等指標(biāo)均難滿足系統(tǒng)要求[14-15]。為了解決微帶濾波器電路加工精度問題，本文采用具有更高精度的薄膜工藝來研制微帶濾波器。

如圖1中單通道調(diào)制器需要兩款薄膜濾波器，一款是Ka頻段帶通濾波器，用以濾除鏡像頻率和帶外干擾；另一款是S頻段低通濾波器，用以濾除下變頻后的各種諧雜波，得到純凈的中頻信號(hào)。系統(tǒng)通常對(duì)毫米波前端體積和重量有較高的要求，為了實(shí)現(xiàn)薄膜濾波器的小型化[16]，采用了即燒三氧化鋁基片，其介電常數(shù)為9.7，較高的介電常數(shù)使得濾波器的尺寸更小。Ka頻段帶通濾波器采用平行耦合式結(jié)構(gòu)，其階數(shù)為5階；S頻段低通濾波器采用高低阻抗結(jié)構(gòu)；為統(tǒng)一兩款濾波器尺寸，節(jié)約制版費(fèi)用，尺寸統(tǒng)一為9.9mm×2.8mm×0.254mm兩款濾波器的仿真模型和仿真結(jié)果分別如圖4至圖7所示。

圖4 Ka頻段帶通濾波器三維模型Fig.4 The 3D model of Ka band bandpass filter

圖5 Ka頻段帶通濾波器三維仿真結(jié)果Fig.5 The 3D simulation results of Ka band bandpass filter

圖6 S頻段低通濾波器三維模型Fig.6 The 3D model of S band bandpass filter

圖7 S頻段低通濾波器三維仿真結(jié)果Fig.7 The 3D simulation results of S band bandpass filter

依據(jù)仿真優(yōu)化后的模型投產(chǎn)了濾波器樣片，裝配后進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，裝配后實(shí)物圖及實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8至圖11所示。

圖8 Ka頻段帶通濾波器實(shí)物圖Fig.8 The Ka band bandpass filter

圖9 Ka頻段帶通濾波器實(shí)測(cè)值Fig.9 The measured value of Ka band bandpass filter

圖10 S頻段低通濾波器實(shí)物Fig.10 The S band lowpass filter

圖11 S頻段低通濾波器實(shí)測(cè)值Fig.11 The measured value of S band lowpass filter

實(shí)測(cè)結(jié)果表明：Ka頻段帶通濾波器帶內(nèi)插損小于3.5dB，帶內(nèi)駐波優(yōu)于1.5，在25.XXGHz±0.4GHz頻段的抑制優(yōu)于47dB，滿足實(shí)際使用需求。S頻段低通濾波器在DC-2.42GHz內(nèi)的插損小于1dB，駐波優(yōu)于1.1，對(duì)本振10.XXGHz的抑制優(yōu)于80dB，滿足實(shí)際使用需求。

2.3 0/π調(diào)制器設(shè)計(jì)

0/π調(diào)制器將Ka頻段差信號(hào)在兩段電長(zhǎng)度相差180°的微帶線上交替?zhèn)鬏敚瑢?shí)現(xiàn)差信號(hào)的相位調(diào)制。它由一對(duì)微波單刀雙擲開關(guān)芯片、基準(zhǔn)態(tài)微帶傳輸線、移相態(tài)微帶傳輸線以及開關(guān)芯片偏置電路組成，其電路原理圖如圖12所示?；鶞?zhǔn)態(tài)微帶傳輸線與移相態(tài)微帶傳輸線相位差為180°。Vcc和Vee為等幅反向的低頻調(diào)制信號(hào)， S1和S2切換頻率由低頻調(diào)制信號(hào)頻率決定。0/π調(diào)制器正常工作時(shí)，Vcc為負(fù)，Vee為正時(shí)，開關(guān)S1、S2選通上支路，信號(hào)從180°微帶傳輸線通過；反之，Vcc為正，Vee為負(fù)時(shí)，開關(guān)S1、S2選通下支路，信號(hào)從0°微帶傳輸線通過。兩路信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制相位差，達(dá)到0/π二相調(diào)制。

圖12 0/π調(diào)制器原理圖Fig.12 The schematic diagram of 0/π modulator

2.4 Ka頻段合路器與本振濾波器設(shè)計(jì)

如圖1所示，單通道調(diào)制器需要本振濾波器及Ka頻段合路器。由于本振頻率為X頻段且為單頻點(diǎn)工作，因而可以采用ROGERS 5880軟基板制作，而不需要采用薄膜工藝。發(fā)卡型微波濾波器具有物理尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、更容易集成、性能優(yōu)良等特點(diǎn)[17-20]，因而本振濾波器選擇發(fā)卡型微帶濾波器，其階數(shù)為3階，其仿真模型和仿真結(jié)果如圖13、圖14所示。Ka頻段合路器采用經(jīng)典的威爾金森合路器形式，其仿真模型和仿真結(jié)果如圖15、圖16所示。

圖13 本振濾波器三維模型Fig.13 The 3D model of local oscillator filter

圖14 本振濾波器三維仿真結(jié)果Fig.14 The 3D simulation results of local oscillator filter

圖15 Ka頻段合路器三維模型Fig.15 The 3D model of Ka band combiner

圖16 Ka頻段合路器三維仿真結(jié)果Fig.16 The 3D simulation results of Ka band combiner

2.5 有源芯片選型

根據(jù)表1技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合現(xiàn)有成熟貨架產(chǎn)品手冊(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過幾次指標(biāo)迭代分析計(jì)算，最終選定有源芯片型號(hào)。諧波混頻器芯片電特性參數(shù)如表4所列。

表4 諧波混頻器芯片電特性參數(shù)Tab.4 Harmonic mixer chip electrical characteristic parameter

3 單通道調(diào)制器測(cè)試

為了實(shí)現(xiàn)單通道調(diào)制器的集成化和小型化，采用了正、反兩面布局的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。將射頻電路布置在結(jié)構(gòu)件的正面，將電源及調(diào)制電路布置在結(jié)構(gòu)件的背面。整個(gè)單通道調(diào)制器的尺寸為77mm×43mm×20.2mm，如圖17所示，重量?jī)H為160g。

圖17 單通道調(diào)制器實(shí)物圖Fig.17 The single channel modulator

測(cè)試表明(圖18-圖21)，單通道調(diào)制器在要求的工作頻率范圍內(nèi)和通道增益為30.97dB，噪聲系數(shù)為1.94dB，實(shí)測(cè)結(jié)果與鏈路計(jì)算結(jié)果吻合；差通道增益為27.45dB，差通道的噪聲系數(shù)為6.57dB；和差通道增益差為3.52dB；載波抑制為52.7dB，調(diào)制抑制為37.6dB；各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖18 和通道增益及噪聲系數(shù)測(cè)試值Fig.18 The measured value of sum channel gain and noise figure

圖19 差通道增益及噪聲系數(shù)測(cè)試值Fig.19 The measured value of difference channel gain and noise figure

圖20 載波抑制測(cè)試值Fig.20 The measured value of carrier suppression

圖21 調(diào)制抑制測(cè)試值Fig.21 The measured value of modulation suppression

4 結(jié)論

衛(wèi)星平臺(tái)及有效載荷的輕量化、小型化、集成化是未來航天系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。為順應(yīng)星載自跟蹤系統(tǒng)輕量化、小型化發(fā)展趨勢(shì)，本文采用多芯片微組裝技術(shù)，通過合理的系統(tǒng)分析和仿真設(shè)計(jì)，在厚度為0.254mm、相對(duì)介電常數(shù)為2.2的ROGERS 5880介質(zhì)基板以及相對(duì)介電常數(shù)為9.7的Al2O3介質(zhì)基板上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種Ka頻段單通道調(diào)制器。該調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了小型化和集成化，采用BJ260波導(dǎo)作為輸入，其和通道增益為31dB，噪聲系數(shù)為1.94dB，和、差通道增益差滿足3±1dB，載波抑制為52.7dB，調(diào)制抑制為37.6dB，經(jīng)過地面各項(xiàng)試驗(yàn)及在軌飛行驗(yàn)證其各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，適應(yīng)工程化應(yīng)用。