賈宏麗,白 旭，王 瑞，李春梅，李 福

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

調(diào)制模塊是衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的關(guān)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(shù)據(jù)對地下傳是一個必須解決的問題，所以數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中高碼速率調(diào)制模塊性能的良好顯得越來越重要[1-7]。

目前現(xiàn)有的調(diào)制模塊一般是由90°功分器、BPSK調(diào)制電路部分、0°功率合成器組成。各部分比較成熟的設(shè)計方法如下：(1)90°功分器采用Lange橋?qū)崿F(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(diào)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(shù)據(jù)的方式進行傳輸數(shù)據(jù))組成，實現(xiàn)將基帶數(shù)據(jù)直接調(diào)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(diào)制信號合成一路輸出。

本設(shè)計和現(xiàn)有的調(diào)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(diào)試風險點減少，功能的實現(xiàn)依靠設(shè)計保證，從而使90°功分效果更佳；(2)BPSK調(diào)制電路部分：BPSK調(diào)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(shù)據(jù)的方式進行傳輸數(shù)據(jù))組成，實現(xiàn)將基帶數(shù)據(jù)直接調(diào)制到射頻載波。與現(xiàn)有的BPSK調(diào)制模塊從實現(xiàn)方式相比，使用微帶到槽線的過渡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了巴倫的功能，使調(diào)制模塊幅度達到更優(yōu)的幅相指標；數(shù)據(jù)傳輸通過微帶線通孔直接向調(diào)制解器提供數(shù)據(jù)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(shè)計上實現(xiàn)了調(diào)制模塊更優(yōu)的幅相特性和端口匹配特性。

1 調(diào)制模塊原理

調(diào)制模塊原理框圖見1。

圖1 調(diào)制原理

調(diào)制模塊電路的原理：將輸入的載波信號經(jīng)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(diào)制的數(shù)據(jù)信號(data_I和data_Q)由BPSK調(diào)制部分實現(xiàn)“0”和“1”狀態(tài)的數(shù)據(jù)信號直接調(diào)制到相互正交的載波上，BPSK調(diào)制后的信號經(jīng)過0°功率合成器輸出[6]。由上述框圖1能夠得出調(diào)制模塊分別對同相載波及正交載波進行二相調(diào)制，即可得到相應(yīng)的QPSK調(diào)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(shù)；θk是均勻分布的調(diào)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(yù)=1時，信號碼元為：

Sk=Acos(w0t+θk)=akcosw0t-bksinw0t

(4)

那么QPSK調(diào)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(yīng)的符號周期；

φk為受調(diào)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(diào)制模塊電路設(shè)計

該新型星載調(diào)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(shè)計方法; 微帶線向調(diào)制模塊來傳輸I路或Q路數(shù)據(jù)的設(shè)計方法；采用了1/4波長電橋替代Lange橋的設(shè)計方法。目前，該設(shè)計方法已應(yīng)用于某型號星載調(diào)制模塊，成功解決了調(diào)制模塊在裝配、調(diào)試過程中遇到的問題。

2.1 微帶-槽線的巴倫與BPSK調(diào)制模塊的設(shè)計方法

文章關(guān)鍵在于如何設(shè)計一種微帶-槽線巴倫實現(xiàn)BPSK調(diào)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)據(jù)通過微帶線通孔傳輸數(shù)據(jù)的方式代替金帶壓焊的方式，實現(xiàn)了BPSK調(diào)制模塊的一體化設(shè)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(diào)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(diào)制模塊的功能。該設(shè)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(shè)計的BPSK調(diào)制模塊達到更優(yōu)的幅相指標和端口匹配特性。

圖2 BPSK調(diào)制電路的三維仿真設(shè)計

2.2 1/4波長電橋代替現(xiàn)有的Lange電橋

本次設(shè)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(diào)試風險點減少，功能的實現(xiàn)由設(shè)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(shè)計如圖3所示：

圖3 1/4波長電橋的三維圖仿真設(shè)計

2.3 調(diào)制模塊的三維結(jié)構(gòu)

調(diào)制模塊微帶電路三維結(jié)構(gòu)圖見圖4所示，利用場與路的聯(lián)合仿真設(shè)計的方法，采用高頻仿真軟件CST和ADS對整個調(diào)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(jié)果見圖5所示，調(diào)制模塊頻譜的仿真結(jié)果見圖6所示：

圖4 新型調(diào)制模塊電路三維結(jié)構(gòu)

圖5 新型調(diào)制模塊的星座圖

圖6 調(diào)制模塊頻譜的仿真結(jié)果

由圖6可知，調(diào)制模塊在中心頻率處,調(diào)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(jié)果為0.5%。

3 性能測試與對比分析

3.1 新型調(diào)制模塊的性能測試

首先根據(jù)新型星載調(diào)制模塊的頻率選擇合適矢網(wǎng)分析儀，給調(diào)制模塊提供合適的數(shù)據(jù)源，測試幅相不平衡，結(jié)果如表1所示：

表1 幅相不平衡計算示例

根據(jù)測量結(jié)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(diào)制模塊設(shè)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(diào)制模塊進行對比，比對結(jié)果如表2所示：

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

從上述表格可知，該設(shè)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(diào)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(diào)制模塊設(shè)計方案的有效性和準確性。該新型調(diào)制模塊特別在電路仿真研究過程中，將巴倫設(shè)計方法應(yīng)用到新型調(diào)制模塊，實現(xiàn)了端口匹配和良好的幅相不平衡。

4 結(jié)論

文章針對現(xiàn)有QPSK調(diào)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(diào)試環(huán)節(jié)模塊電路的風險問題。從設(shè)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(diào)制模塊的設(shè)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(shè)計方法，代替現(xiàn)有調(diào)制模塊由空間飛線的方式進行傳輸數(shù)據(jù)，解決了裝配困難、節(jié)約人力物力成本、給調(diào)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(shè)計方法，避免了之前設(shè)計中Lange橋金絲壓焊操作難度大、調(diào)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(diào)制功能的設(shè)計方法。該方法設(shè)計的調(diào)制模塊電路具有良好的幅相特性。

文章成功解決了調(diào)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(diào)試工作量大問題。從設(shè)計、仿真、工藝、裝配、調(diào)試多方面研究工作入手，提出了一種新型星載QPSK調(diào)制模塊的設(shè)計方法，該新型設(shè)計方法已廣泛應(yīng)用于調(diào)制模塊工程實踐中，具有一定的應(yīng)用前景。