EHF頻段上變頻器的設計及實(shí)現

EHF 頻段是下一代衛星通信系統優(yōu)選的工作頻段，設備的研制越來(lái)越迫切。上變頻器是系統中關(guān)鍵的設備，通過(guò)應用仿真軟件對頻率配置、雜散等指標進(jìn)行了仿真分析， 研制了上變頻器，設備實(shí)現了L 頻段到EHF 頻段2 GHz帶寬的頻率變換，EHF 頻段1 dB輸出功率大于+ 16 dBm ，2 GHz 帶寬內幅頻特性小于315 dB 。通過(guò)增加補償措施，實(shí)現較小的帶內幅頻特性。

引言

上變頻器是衛星通信系統上行鏈路的主要設備，主要功能是完成中頻到射頻的頻率變換，提供適當的增益并能實(shí)現鏈路增益的調整。

EHF 頻段(30～300 GHz) 和其他頻段相比，具有可用帶寬寬、干擾少、設備體積小的特點(diǎn)。EHF 頻段通信容量大，可以大大提高擴頻、跳頻等抗干擾、抗截獲措施的性能。目前，國際上EHF 頻段軍事通信衛星大部分工作在44 GHz/ 20 GHz 頻段。

EHF 頻段上變頻器研制的難點(diǎn)在于：工作頻率高，加工、制造工藝復雜；中頻相對帶寬比較寬，帶內幅頻特性指標難實(shí)現；設備3次變頻的輸出雜散控制比較困難。

1、方案選擇

EHF 頻段的上變頻器主要設計技術(shù)指標：
①增益：> 25 dB ；
②幅頻特性： 5 dB/ 2 GHz ；
③雜散抑制： - 50 dB。

變頻器的設計的關(guān)鍵是設備中的中頻選擇(即頻率配置)以及電平分配。從頻率變換的過(guò)程來(lái)看，變頻器可以分為一次變頻、二次變頻和多次變頻等形式。

上變頻器中若采用一次變頻方式，由于中頻頻率相對于射頻輸出頻率較低，且射頻輸出工作帶寬大于中頻輸入帶寬，本振頻率會(huì )泄露在射頻輸出工作帶寬內。為了避免 本振頻率的泄露，必須在設備的輸出端加一個(gè)抑制本振頻率的帶通濾波器，且該濾波器的中心頻率必須與帶通濾波器和頻率合成器同步可調，這無(wú)疑增加了設備的成 本和設計難度。

采用2 次及2 次以上變頻的變頻器中，只需改變頻率合成器的頻率就可選出所需信號，而各濾波器均可設計成頻率和帶寬都固定的濾波器。方案的頻率變化適應性最強，頻率靈活性最佳。但隨著(zhù)變頻次數的增加，頻率配置不合適時(shí)將出現組合頻率干擾，本振諧波干擾等。

根據設備技術(shù)指標及頻率接口的要求，并考慮混頻器等器件的技術(shù)指標，設備采用3次變頻的方案實(shí)現，具體分析見(jiàn)第1中頻頻率選擇。設備變頻過(guò)程框圖如圖1 所示。

為了下文敘述方便，定義第1 級混頻器后的頻率為第1 中頻，簡(jiǎn)稱(chēng)IF1 ；第2 級混頻器后的頻率為第2 中頻，簡(jiǎn)稱(chēng)IF2 ；設備中頻輸入簡(jiǎn)稱(chēng)IF。

2、中頻選擇及雜散計算

變頻器設計的關(guān)鍵是雜散的控制。雜散產(chǎn)生的原因一般是由于混頻器在混頻過(guò)程中產(chǎn)生的諧波引起的?；祛l器是變頻器中至關(guān)重要的器件之一，混頻器的基本用途就是利用本振信號把信號從一個(gè)頻率變到另一個(gè)頻率。

混頻器利用非線(xiàn)性元件來(lái)實(shí)現輸入信號、本振信號及2 種信號的高次諧波在頻率上的加、減運算。為了提取出有用信號，在混頻后要加上適當的濾波器，濾除無(wú)用的雜散分量。但有些雜散分量(例如帶內雜散) 是無(wú)法通過(guò)濾波器濾除的，只能通過(guò)調整信號頻率，避免混頻過(guò)程中的雜散頻率落入工作帶內。

當混頻器應用在上變頻器中，輸入頻率、輸出頻率和本振頻率存在以下關(guān)系：
f_rf = ±mf_lo ±nf_if 。(1)

式中，f_rf為混頻器輸出頻率；f_lo為混頻器本振頻率；f_if為混頻器輸入頻率；m 、n 分別代表本振頻率及輸入頻率的諧波次數。

如 果設備采用多次混頻，前一級混頻的輸出頻率又作為下一級混頻的輸入頻率，導致最終設備的輸出雜散頻率十分豐富，所以在每次混頻后都需要增加濾波器，用于濾 除本次混頻產(chǎn)生的雜散信號，避免其進(jìn)入下一級混頻器。前面提到有些帶內雜散信號是無(wú)法通過(guò)濾波器濾除的。帶內雜散信號中的一部分，可以通過(guò)調整混頻器輸入 電平來(lái)降低雜散信號的電平。

如果在方案設計階段就能計算出雜散的頻率和電平幅度，就可以根據計算結果調整中頻頻率使得最終設備的雜散能夠滿(mǎn)足要求，實(shí)現設備最優(yōu)設計。選擇一個(gè)好的中頻頻率，可以降低系統的設計復雜度，提高設備的雜散等指標。

為了確定最優(yōu)的中頻頻率，可以通過(guò)公式計算混頻輸出雜散，根據結果調整頻率，再計算，尋找出合適的中頻，周期較長(cháng)；另一種方法是可以通過(guò)微波仿真工具更加直觀(guān)、快速尋找出合適的中頻頻率。