EHF頻段上變頻器的設計及實現(xiàn)

1、EHF 頻段上變頻器的設計及實現(xiàn)EHF 頻段是下一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)優(yōu)選的工作頻段，設備的研制越來越迫切。上變 頻器是系統(tǒng)中關鍵的設備，通過應用仿真軟件對頻率配置、雜散等指標進行了仿 真分析，研制了上變頻器，設備實現(xiàn)了 L頻段到EHF頻段2 GHz帶寬的頻率變 換，EHF頻段ldB輸出功率大于+ 16 dBm，2 GHz帶寬內(nèi)幅頻特性小于315 dB 。 通過增加補償措施，實現(xiàn)較小的帶內(nèi)幅頻特性。引言上變頻器是衛(wèi)星通信系統(tǒng)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?shù)脑鲆娌⒛軐崿F(xiàn)鏈路增益的調整。EHF頻段(30300 GHz)和其他頻段相比，具有可用帶寬寬、干擾少、設備體積 小

2、的特點。 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(wèi)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(nèi)幅頻特性指標難實現(xiàn)；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指標增益： 25 dB ；幅頻特性： 5 dB/ 2 GHz ；雜散抑制： - 50 dB。變頻器的設計的關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 換的過程來看，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

3、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，本振頻率會泄露在射頻輸出工作帶寬內(nèi)。為 了避免 本振頻率的泄露，必須在設備的輸出端加一個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。但隨著變頻次數(shù)的增加，頻率配置不合適時將出現(xiàn) 組合頻率干擾，本振諧波干擾等。根據(jù)設備技術指標及頻率接口的要求，并考慮

4、混頻器等器件的技術指標，設備采 用3 次變頻的方案實現(xiàn)，具體分析見第 1 中頻頻率選擇。設備變頻過程框圖如圖 1 所示。IF上變頻器變頻過程框圖圖rjVrV-rfL02IF上變頻器變頻過程框圖圖rjVrV-rfL02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，簡稱 IF1 ；第 2 級 混頻器后的頻率為第2中頻，簡稱IF2 ；設備中頻輸入簡稱IF。2、中頻選擇及雜散計算 變頻器設計的關鍵是雜散的控制。雜散產(chǎn)生的原因一般是由于混頻器在混頻過程 中產(chǎn)生的諧波引起的。混頻器是變頻器中至關重要的器件之一，混頻器的基本用 途就是利用本振信號把信號從一個頻率變到另一個頻率?；祛l器利用非線

5、性元件來實現(xiàn)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?shù)臑V波器，濾除 無用的雜散分量。但有些雜散分量(例如帶內(nèi)雜散) 是無法通過濾波器濾除的， 只能通過調整信號頻率，避免混頻過程中的雜散頻率落入工作帶內(nèi)。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系 f = mf nf 。 (1)rf lo if式中，f為混頻器輸出頻率；f為混頻器本振頻率；f為混頻器輸入頻率；m、rfloifn 分別代表本振頻率及輸入頻率的諧波次數(shù)。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

6、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，避免其進入下一級混頻器。前面提到有些 帶內(nèi)雜散信號是無法通過濾波器濾除的。帶內(nèi)雜散信號中的一部分，可以通過調 整混頻器輸入 電平來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(jù)計算結果調 整中頻頻率使得最終設備的雜散能夠滿足要求，實現(xiàn)設備最優(yōu)設計。選擇一個好 的中頻頻率，可以降低系統(tǒng)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，可以通過公式計算混頻輸出雜散，根據(jù)結果調整頻率， 再計算，尋找出合適的中頻，周期較長；另一種方法是可以通過微波仿真工具更 加直觀、快速尋找

7、出合適的中頻頻率。Agilent公司的微波設計軟件GENESYS中的頻率規(guī)劃(What IF)綜合設計工具 能夠根據(jù)設定的頻率關系，自動尋找無雜散或雜散最低的區(qū)域，選擇最優(yōu)的中頻 頻點，以下的兩次中頻選擇就是應用該軟件實現(xiàn)的。2. 1、中頻頻率選擇 (1) 第二中頻頻率 IF2 選擇使用頻率規(guī)劃工具，設定混頻的射頻輸出頻率，以及射頻帶寬、中頻帶寬以及本 振功率，就可以尋找無雜散或雜散最低的區(qū)域。中頻選擇仿真結果如圖 2 所示。 圖中區(qū)域為沒有雜散區(qū)域；區(qū)域為存在雜散區(qū)域。可以看出雜散電平小于- 60 dBc的中頻可供選擇的區(qū)域為1. 020. 5 GHz。根據(jù)以下2條原則就可以 確定中頻IF2

8、的頻率：工作在毫米波頻 段的混頻器，可供選擇商品器件的 不多，工作在EHF頻段的混頻器中頻頻率一般不大于4. 5 GHz，因此IF2的 頻率必須小于4. 5 GHz ； 同時因為設備中頻IF2帶寬為2 GHz ,為了避 免2 XIF2 +LO3信號進入工作帶內(nèi)，中頻頻率的最低頻率必須選擇在2 GHz以 上。綜合考慮將中頻IF2選擇為2 GHz以上，4. 5 GHz以下。-50-100025IF2 -50-100025IF2 頻率/GHz50圖2中頻IF2頻率選擇(2) 第一中頻頻率選擇當IF2選定后，假設設備采用2次變頻，則IF1頻率為中頻輸入IF(設備輸入 頻率為 L 頻段信號) 。此時 I

9、F 與 IF1 相隔較近，導致本振頻率無法抑制，所 以方案必須采用 3 次變頻。只有 IF1 選擇為一個較高的中頻上，才能避免出現(xiàn) 上述的問題。從IF1中頻選擇仿真分析結果如圖3所示。圖中區(qū)域為沒有雜散區(qū)域；區(qū) 域為存在雜散區(qū)域。在017 GHz 范圍內(nèi)，只有0450 MHz 范圍內(nèi)沒有雜散， 在其他頻率內(nèi)均存在不同組合的雜散分量。當頻率超過 12. 35 GHz 后雜散分量 只有-2IF1 +3L01這一個雜散，這一雜散可以通過降低IF1的電平，使得雜散 電平降低到設備的要求值。500008.5ID500008.5ID頻率/GHz17圖3中頻m頻率選擇因為L/Ku模塊方案已經(jīng)很成熟，最終中頻

10、IF1頻率選擇在Ku頻段，縮短了設 備設計周期。2. 2、雜散分析確定中頻頻率后，進行雜散分析。第1次混頻后的雜散分析，在IF1帶內(nèi)無雜 散頻率產(chǎn)生，帶外主要雜散為 f （2 ， 1） ， 通過混頻后增加帶通濾波器， 完 全可以將雜散電平抑制到很低的水平， 可以忽略。需要注意的是， LO1 本振頻 率多采用倍頻的方案實現(xiàn)，為了防止LO1本振的基頻頻率的多次諧波隨LO1本 振進入混頻器， LO1 本振輸出后要增加濾波器，用來濾除無用的 LO1 本振諧波。第2次混頻雜散分析，在IF2頻率范圍內(nèi)，主要雜散為f （-2，-2）、f （3， - 2） 、 f （ - 4， 3） 等組合頻率，帶內(nèi)的組合雜

11、散最低次數(shù)為4 次，由于第2 次混頻采用雙平衡混頻器， m 為偶數(shù)的被抵消。雖然7 次產(chǎn)物落入帶內(nèi)， 但可 以通過減小輸入的 IF1 電平，來控制組合干擾的幅度，完全可以滿足變頻鏈路 通用指標的要求。第 3 次混頻后的雜散分析，在 EHF 頻率范圍內(nèi)主要雜散信號為 f（1 ， 2） 。通 過調整中頻入口電平，可以降低雜散信號電平幅度，同時混頻后增加腔體濾波器， 對雜散也有一定的抑制。通過以上分析，只要控制好各級混頻器的輸入電平，雜 散可以控制在要求的范圍內(nèi)。2. 3、電平分配根據(jù)以上雜散計算可知，為了降低第 2 次混頻產(chǎn)生的雜散， 必須降低混頻器的 輸入電平到- 20 dBm 以下。在此基礎上

12、合理分配每級的增益，以保證設備的各 項指標滿足要求。3、關鍵技術3. 1、中頻選取EHF 頻段上變頻器采用 3 次變頻技術，中頻頻率的選取尤其重要，一個合適的 中頻頻率，不但可以降低設備的雜散電平，而且還可以降低設備的設計難度。3. 2、高精度的制造和裝配工藝在 EHF 頻段，波長很短，相同電長度的電路元件實際尺寸會比低頻段的元件尺 寸小很多，所使用的放大器、混頻器元件只能采用沒有封裝的管芯，這就對印制 板的加工精度、元件安裝精度、焊接精度提出很高的要求。在 EHF 頻段有些關 鍵尺寸的加工精度要求小于 0. 01 mm。由于同樣的原因，在該頻段設備裝配過程中要求更加嚴格。裝配過程主要包括：

13、裁板、粘接、鍵合等工序。特別是在粘接及鍵合工序上更加容易出問題。通過對 制造和裝配工藝的試驗摸索，很好地解決了毫米波頻段高精度制造和裝配工藝問 題。3. 3、EHF 頻段變頻技術 變頻器包含了混頻、濾波、放大等多個環(huán)節(jié)。為了滿足設備指標要求，主要采取 了如下的技術措施：用新型 諧波混頻器，降低本振的工作頻率，減小了本振的 實現(xiàn)難度； 采用微帶探針形式波導- 微帶過渡，通過波導 H 面的孔插入波導 腔中，降低了插入損耗，改善了端口駐波；采用新型電路，電路在IF2頻率 范圍內(nèi)，頻率響應小于2 dB ，保證了整機的幅頻特性指標； 增加了新型結 構的均衡補償電路，補償 EHF 頻段的分布參數(shù)影響，整機

14、2 GHz 帶寬內(nèi)幅頻特 性小于3. 5 dB ，滿足了系統(tǒng)指標需要。3. 4、波導濾波器設計 在設備研制過程中，需要研制 EHF 頻段的濾波器對本振信號抑制60 dB 以上。 根據(jù)仿真結果，一般的微帶濾波器很難滿足要求。波導濾波器具有 Q 值高，損耗小的特點，波導濾波器能夠滿足指標要求。根據(jù) 指標要求，研制了波導濾波器，其帶內(nèi)損耗小于 2dB ，帶內(nèi)幅頻特性 0. 5 dB/ 2 GHz ，對本振頻率的抑制達到 64dB 以上。經(jīng)整機測試，對雜散信號的抑制滿 足設計要求。4、測試結果設備調試完成后，進行了指標測試。圖 4 所示的測試曲線為設備幅頻特性補償前 后的曲線，從圖中可以看出補償前幅頻

15、特性為 8dB 左右，補償后為 3.5dB ，增 益也滿足設計要求。設備的雜散輸出最大為-55dBc , 1 dB輸出功率大于+16dBm。HP、他HP、他W圖4幅頻特性補償前后比較5、結束語 隨著系統(tǒng)頻率的不斷提升，微波射頻設備的工作頻率越來越高，給設備研制帶來了很大的挑戰(zhàn)。采用3次變頻方案，實現(xiàn)了 L頻段到EHF頻段上變頻器，EHF 頻段ldB輸出功率大于+16dBm , 2 GHz帶寬內(nèi)幅頻特性小于3.5 dB，指標測試 滿足設計要求，關鍵指標達到國外同類產(chǎn)品水平。設備研制過程中，解決了 EHF 頻段加工、裝配等關鍵工藝技術，為同類產(chǎn)品的研制提供了技術保證。永磁同步電機無傳感器矢量控制技

16、術同時兼具高性能電流矢量變頻器，控制和調節(jié)三相交流同步電機的速度和轉矩， 低速高轉矩輸出，具有良好的動態(tài)特性、超強的過載能力、增加了用戶可編程功能及后臺監(jiān) 控軟件，通訊總線功能，支持多種 PG 卡等，組合功能豐富強大，性能穩(wěn)定?？捎糜诩案?種自動化生產(chǎn)設備的驅動。初始位置自辨識：高頻注入法辨識PMSM轉子的初始位置，保證起動時不反轉電機參數(shù)自學習：變頻器自學習功能獲取電機參數(shù) Rs、Ld、Lq、Ef無PG矢量控制：在不安裝編碼器的條件下實現(xiàn)交流同步電機PMSM矢量控制，降低成本并 提高可靠性空載電流小，功率因數(shù)高：空載電流接近零，功率因數(shù)接近1 產(chǎn)品定位：高性能開環(huán)矢量應用，重點提升了產(chǎn)品性能，要求低頻大轉