黎媛捷，張雷霆，王正峰，沈靖，安天琪

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海，200240）

0 引言

Ka 波段信號具有波束指向性強、信息容量高的特性，近些年廣泛應用于衛(wèi)星通訊系統(tǒng)中。但也由于Ka 信號使用范圍廣的特點，從傳統(tǒng)的空對地方向（17.7～21.2GHz）到衛(wèi)星星座通訊（25～33GHz）都有廣泛的應用，給衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)帶來極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的Ka 變頻器僅有3Ghz 變頻帶寬且輸出中頻信號固定，無法適應不同場景的測試，需要頻繁更換變頻器。這也導致變頻器種類繁雜，研制周期極長，大大降低了型號研制進度；且隨著一型衛(wèi)星研制任務結束，此型衛(wèi)星地面測試所使用變頻器也面臨封存的風險，造成了資源的極大浪費。因此亟需對Ka 全頻段變頻信號處理技術進行研究，設計一款Ka 全頻段、多類中頻信號的變頻器。

1 總體方案設計

傳統(tǒng)的變頻器往往使用一次變頻至中頻信號，如圖1所示，此種方案具有成本低、組合干擾少的特點。

圖1 傳統(tǒng)變頻器變頻原理示意圖

圖2 基于分頻開關切換變頻的原理圖

但針對Ka 全波段、多中頻的變頻需求，由于單個濾波器無法消除鏡頻抑制等信號干擾，傳統(tǒng)設計方案顯得力不從心。但利用射頻開關與濾波器組合就可很好實現(xiàn)對鏡頻抑制的消除。本方案通過電子開關選擇六段信號分別濾波進入通道變頻，2.4GHz、1.5GHz、和720MHz 中頻經(jīng)過兩次變頻，70MHz 中頻經(jīng)過三次變頻，后經(jīng)過放大、開關、濾波、變頻變換后得到中頻信號，中頻可以通過電子開關選擇四個中頻帶寬中的一種中頻輸出。

由于混頻器的非線性，RF 和LO 信號進行混頻后，除了產(chǎn)生需要的IF 信號，必然還會產(chǎn)生其他交調(diào)產(chǎn)物，如組合頻率、本振諧波、鏡頻干擾和鄰道干擾等。其中組合干擾頻率計算如式1 所示：

其中，f∑為混頻后輸出組合信號（其中包括需要的中頻頻率和組合干擾），fRF為射頻信號，fLO為為本振信號。m，n為諧波次數(shù)，m,n=0,1,2,...。對于窄帶系統(tǒng)，可以通過合理的設計濾波器來濾除不需要的干擾。而對于寬帶系統(tǒng)，由于信號帶寬較寬，組合干擾容易落到中頻帶寬內(nèi)，濾波器難以濾除。因而必須更加合理謹慎的設計變頻方案，來避開各種交調(diào)產(chǎn)物的干擾。而多次變頻方案中的信號環(huán)境更加復雜，因此需要使用EDA 軟件進行仿真，優(yōu)化參數(shù)設計。

2 鏡頻抑制設計

Ka 全頻段變頻信號處理方案最大的優(yōu)勢是使用前端射頻開關與濾波器組分段方法來抑制鏡頻抑制，實現(xiàn)了單獨使用濾波器難以達到的效果。經(jīng)仿真，第一級射頻開關濾波器抑制44dB，第二級開關濾波器抑制50dB，合計抑制大于95dB，滿足鏡頻抑制大于80dB 的要求。圖3 分別是18GHz～25GHz 射頻濾波器抑制、25GHz～33GHz 射頻濾波器抑制仿真圖。

圖3 靜頻抑制仿真圖

3 雜散抑制與本振設計

由于Ka 通訊有著數(shù)據(jù)通量大的特點，頻率偏移至中頻后所需帶寬也較大，例如1.5Ghz 中頻模式下，所需數(shù)據(jù)帶寬為 。因此設計中需著重考慮寬，其組合干擾式如下：

則變頻中，高階雜散不與中頻信號產(chǎn)生交疊的必要條件應同時滿足式(3)和(4)：

其中B 為信號帶寬，fRFo為射頻信號中心頻點，fIFo為中頻信號中心頻點。

如下根據(jù)仿真結果使用了如表所示的變頻方案，采用此方案雜散均小于-60dBc，圖4 是2 次變頻的雜散仿真圖。

表1 各次混頻后的接收通道雜散電平組合仿真結果

圖4 雜散仿真圖

根據(jù)上文的仿真思路，選擇合適的器件搭建本振電路，如圖5 所示。

圖5 時鐘及本振頻率源設計

一本振信號由鎖相環(huán)產(chǎn)生（12～19.5）GHz 的基頻信號后二倍頻產(chǎn)生，恒溫晶振產(chǎn)生的100MHz 信號輸入鑒相器后二分頻產(chǎn)生50MHz 信號作為鑒相頻率,鑒相器誤差電壓經(jīng)運放構成的有源環(huán)路作用于調(diào)諧電壓端,控制VCO 輸出（12～19.5）GHz,步進為50MHz 的點頻信號，后經(jīng)無源二倍頻器進行倍頻，可以滿足一本振輸出頻率（24～39）GHz 的要求。

二本振信號由鎖相環(huán)3 產(chǎn)生的三個可變點頻信號作為頻標，頻率為6420、7200、8100MHz；鎖相環(huán)4 產(chǎn)生的頻率范圍250～350MHz，混頻后經(jīng)開關濾波產(chǎn)生。

三本振信號由鎖相環(huán)鎖定內(nèi)部VCO 至2600MHz，片內(nèi)輸出4 分頻產(chǎn)生650MHz 點頻信號，經(jīng)濾波放大產(chǎn)生。

4 相位噪聲

本方案使用高本振方案，其相對于低本振方案雜散更好控制，由于本振帶寬更寬、頻率更高，相位噪聲控制難度更高，因此對本振相位噪聲進行仿真，優(yōu)化器件選擇，如表所示為三個本振在10Hz～1MHz 下的相位噪聲，均滿足要求。

表2 相位噪聲仿真結果

設備完成搭建后，對實際相位噪聲進行測試，經(jīng)測量與仿真大致相符，二本振頻標信號相噪仿真與實際測量曲線對比圖如圖6所示。

圖6 二本振頻標信號相噪仿真曲線與實際曲線對比

5 實際測試效果

基本指標測試結果如表3 所列。測試結果表明各項指標均滿足衛(wèi)星測試需求。

表3 變頻器實測技術指標

6 結論

本文基于分頻開關切換的變頻信號處理方案，通過EDA仿真計算，設計了一種全頻段、多中頻的下變頻器，利用三次變頻與分頻開關切換方案，可將Ka 全頻段（18～33G）下變頻至多類中頻信號（70M/720M/1.5G/2.4GHz），可滿足衛(wèi)星各復雜場景測試需求。測試數(shù)據(jù)表明，此下變頻器性能良好，目前該設備已應用到多個衛(wèi)星型號測試系統(tǒng)中。