賈宏麗,白 旭，王 瑞，李春梅，李 福

(中國空間技術研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

調制模塊是衛(wèi)星數據傳輸系統(tǒng)中的關鍵部件，近年來隨著遙感衛(wèi)星用戶出現(xiàn)了井噴式的需求，同時海量的遙感數據對地下傳是一個必須解決的問題，所以數據傳輸系統(tǒng)中高碼速率調制模塊性能的良好顯得越來越重要[1-7]。

目前現(xiàn)有的調制模塊一般是由90°功分器、BPSK調制電路部分、0°功率合成器組成。各部分比較成熟的設計方法如下：(1)90°功分器采用Lange橋實現(xiàn)，Lange橋由一組密集排列的微細叉指連接組成，主要功能實現(xiàn)輸出端口幅度相等，相位相差90°；(2)BPSK調制電路部分主要由槽線、微波二極管以及空間金帶飛線(通過微帶線來傳輸I路或Q路數據的方式進行傳輸數據)組成，實現(xiàn)將基帶數據直接調制到射頻載波上；(3)0°功率合成器一般選用Wilkinson功率合成器，將2路BPSK調制信號合成一路輸出。

本設計和現(xiàn)有的調制模塊相比，主要實現(xiàn)了以下創(chuàng)新：(1)90°功分器用1/4波長電橋代替Lange橋來實現(xiàn)載波相位相差90°的功分功能，與原來Lange橋從實現(xiàn)方式上相比，操作人員不需在顯微鏡下進行Lange橋金絲壓接，調試風險點減少，功能的實現(xiàn)依靠設計保證，從而使90°功分效果更佳；(2)BPSK調制電路部分：BPSK調制模塊主要由巴倫、二極管 、直接通過微帶線來傳輸(I路或Q路數據的方式進行傳輸數據)組成，實現(xiàn)將基帶數據直接調制到射頻載波。與現(xiàn)有的BPSK調制模塊從實現(xiàn)方式相比，使用微帶到槽線的過渡結構實現(xiàn)了巴倫的功能，使調制模塊幅度達到更優(yōu)的幅相指標；數據傳輸通過微帶線通孔直接向調制解器提供數據的方式代替隔離槽線與金絲搭接的壓焊方式，避免了隔離槽線與金絲搭接這一環(huán)節(jié)，設計上實現(xiàn)了調制模塊更優(yōu)的幅相特性和端口匹配特性。

1 調制模塊原理

調制模塊原理框圖見1。

圖1 調制原理

調制模塊電路的原理：將輸入的載波信號經1/4波長電橋分成相互正交的兩路載波信號即相位相差90°，待調制的數據信號(data_I和data_Q)由BPSK調制部分實現(xiàn)“0”和“1”狀態(tài)的數據信號直接調制到相互正交的載波上，BPSK調制后的信號經過0°功率合成器輸出[6]。由上述框圖1能夠得出調制模塊分別對同相載波及正交載波進行二相調制，即可得到相應的QPSK調制[6]。二進制相移鍵控(2PSK)信號中的表達式中，一個碼元的載波初始相位等0或π。那么推廣到四進制時，正交相移鍵控(QPSK)信號元素可以表示為[6]：

Sk=Acos(w0t+θk)k=1，2，3，4

(1)

式中，A是一個常數；θk是均勻分布的調制相位，所以它可表示為:

(2)

k取2的某次冪。

4=2k=2

(3)

在分析中，為了不失一般性，令A=1時，信號碼元為：

Sk=Acos(w0t+θk)=akcosw0t-bksinw0t

(4)

那么QPSK調制信號可以表示為：

(5)

在公式(5)中，g(t)是一個矩形脈沖，脈沖寬度等于相應的符號周期；

φk為受調相位，由4個狀態(tài)(45、135、225、315°)，wc為載波角頻率[6]

ak=sinφkbk=cosφk

(6)

2 新型星載調制模塊電路設計

該新型星載調制模塊主要涉及微帶線-槽線過渡實現(xiàn)的巴倫功能及混頻器的設計方法; 微帶線向調制模塊來傳輸I路或Q路數據的設計方法；采用了1/4波長電橋替代Lange橋的設計方法。目前，該設計方法已應用于某型號星載調制模塊，成功解決了調制模塊在裝配、調試過程中遇到的問題。

2.1 微帶-槽線的巴倫與BPSK調制模塊的設計方法

文章關鍵在于如何設計一種微帶-槽線巴倫實現(xiàn)BPSK調制模塊的功能。在研制中，主要通過使用微帶到槽線的過渡結構設計實現(xiàn)了巴倫的功能，具有良好的幅度平衡特性和兩個輸出端口180度相位差；同時，采用基帶數據通過微帶線通孔傳輸數據的方式代替金帶壓焊的方式，實現(xiàn)了BPSK調制模塊的一體化設計。其三維圖形如圖2所示：在基片上表面輸入端口，四分之一波長微帶線過渡到槽線，槽線輸出端口等幅反相，通過微帶線長度與槽線槽寬調節(jié)輸入端口阻抗匹配，實現(xiàn)巴倫功能。在巴倫后端增加兩個反向工作的二極管，實現(xiàn)BPSK調制模塊的功能。該設計方法成功避免了在裝配過程中背面隔離槽線與金絲的搭接這一環(huán)節(jié)，同時設計的BPSK調制模塊達到更優(yōu)的幅相指標和端口匹配特性。

圖2 BPSK調制電路的三維仿真設計

2.2 1/4波長電橋代替現(xiàn)有的Lange電橋

本次設計采用1/4波長電橋代替現(xiàn)有的Lange電橋來實現(xiàn)載波相位相差90°的功分功能，與原來Lange橋從實現(xiàn)方式上相比，操作人員不需在顯微鏡下進行Lange橋金絲壓接，調試風險點減少，功能的實現(xiàn)由設計保證，從而使90°功分效果更佳；整個1/4波長電橋的三維設計如圖3所示：

圖3 1/4波長電橋的三維圖仿真設計

2.3 調制模塊的三維結構

調制模塊微帶電路三維結構圖見圖4所示，利用場與路的聯(lián)合仿真設計的方法，采用高頻仿真軟件CST和ADS對整個調制模塊的電性能指標進行仿真。在中心頻率處，星座圖的仿真結果見圖5所示，調制模塊頻譜的仿真結果見圖6所示：

圖4 新型調制模塊電路三維結構

圖5 新型調制模塊的星座圖

圖6 調制模塊頻譜的仿真結果

由圖6可知，調制模塊在中心頻率處,調制譜的譜型：光滑、無毛刺、無載波泄露；由圖5可知，星座圖EVM仿真結果為0.5%。

3 性能測試與對比分析

3.1 新型調制模塊的性能測試

首先根據新型星載調制模塊的頻率選擇合適矢網分析儀，給調制模塊提供合適的數據源，測試幅相不平衡，結果如表1所示：

表1 幅相不平衡計算示例

根據測量結果計算可得到：幅度不平衡最大值為0.48dB， 相位不平衡為最大值1.9°。

3.2 性能測試對比

新型星載調制模塊設計及裝配完成后，就工作頻率、幅度不平衡、輸出駐波比等主要指標與現(xiàn)有調制模塊進行對比，比對結果如表2所示：

表2 新型星載調制模塊的設計指標與仿真、實測結果與現(xiàn)有調制模塊的實測結果比較表

從上述表格可知，該設計方案較好的滿足了幅相不平衡指標≤1 dB ，≤5°，并通過實物研制與現(xiàn)有調制模塊實物測試的主要指標對比分析，幅度不平衡優(yōu)化0.04 dB，相位不平衡優(yōu)化0.48°，輸出駐波比優(yōu)化0.08，充分驗證了該新型調制模塊設計方案的有效性和準確性。該新型調制模塊特別在電路仿真研究過程中，將巴倫設計方法應用到新型調制模塊，實現(xiàn)了端口匹配和良好的幅相不平衡。

4 結論

文章針對現(xiàn)有QPSK調制模塊中存在的幅相特性不理想，在裝配過程中微波Lange橋壓焊、槽線與金絲的搭接等工藝實現(xiàn)等問題，以及電裝及調試環(huán)節(jié)模塊電路的風險問題。從設計源頭入手，通過大量的仿真驗證研究工作，提出了一種新型星載調制模塊的設計方法。本文章突出表現(xiàn)在兩個方面：

1) 提出通過微帶線來傳輸I路或Q路 的設計方法，代替現(xiàn)有調制模塊由空間飛線的方式進行傳輸數據，解決了裝配困難、節(jié)約人力物力成本、給調制模塊工程化的實現(xiàn)帶來了極大的便利；提出1/4波長電橋替代lange橋的設計方法，避免了之前設計中Lange橋金絲壓焊操作難度大、調試存在風險的問題。

2) 通過場與路的聯(lián)合仿真，提出了微帶到槽線，過渡實現(xiàn)的巴倫功能及調制功能的設計方法。該方法設計的調制模塊電路具有良好的幅相特性。

文章成功解決了調制模塊裝配過程中出現(xiàn)的金帶搭接、金帶壓焊困難以及調試工作量大問題。從設計、仿真、工藝、裝配、調試多方面研究工作入手，提出了一種新型星載QPSK調制模塊的設計方法，該新型設計方法已廣泛應用于調制模塊工程實踐中，具有一定的應用前景。