劉伯文，劉立浩

(中國電子科技集團(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)星的方法有手動跟蹤、程序跟蹤和自動跟蹤3種[2]，其中自動跟蹤可分為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]，下變頻模塊接收來自衛(wèi)星的下行信標(biāo)信號，把信標(biāo)信號變成中頻信號，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(11.45～11.7 GHz，12.25～12.75 GHz)和Ka頻段信號(19.6～21.2 GHz)變頻為355 MHz中頻信號，并進(jìn)行放大和濾波。下變頻模塊的性能指標(biāo)，如相位噪聲和無關(guān)雜散[6]等，對跟蹤接收機(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)鏈路對應(yīng)的本振均為低本振，Ka鏈路對應(yīng)的本振均為高本振，最終輸出無頻譜倒置。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。變頻過程中除產(chǎn)生有效信號外，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，對應(yīng)的本振分別為LO1，LO2，...，LOn，輸入信號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)，除有用信號外的雜散為相關(guān)雜散；RF系數(shù)為0時(shí)的雜散為無關(guān)雜散，即無關(guān)雜散是由本振間相互混頻產(chǎn)生的[8]。

對應(yīng)于相關(guān)雜散，當(dāng)混頻器輸入信號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；對于來自于本振的相關(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)來加以消除。

對于無關(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)，無關(guān)雜散易導(dǎo)致接收機(jī)錯(cuò)鎖，所以對無關(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兩條鏈路對應(yīng)的本振共用，其中Ku1和Ku2兩個(gè)頻段對應(yīng)的鏈路為低本振，Ka頻段對應(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關(guān)雜散指標(biāo)。

表2 無關(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)頻率信號變換為另1個(gè)(或多個(gè))所需頻率信號的技術(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；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有分頻器。

運(yùn)用Hittite公司仿真軟件PLL Analysis & Design Tool對一、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程，包含多個(gè)工序，涉及數(shù)十臺設(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信號源和Agilent N9030A頻譜儀對模塊進(jìn)行了全面測試。從實(shí)測結(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

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。