EHF频段上变频器的设计及实现

EHF 频段是下一代卫星通信系统优选的工作频段，设备的研制越来越迫切。上变频器是系统中关键的设备，通过应用仿真软件对频率配置、杂散等指标进行了仿真分析，研制了上变频器，设备实现了L 频段到EHF 频段2 GHz带宽的频率变换，EHF 频段1 dB输出功率大于+ 16 dBm ，2 GHz 带宽内幅频特性小于315 dB 。通过增加补偿措施，实现较小的带内幅频特性。

引言

上变频器是卫星通信系统上行链路的主要设备，主要功能是完成中频到射频的频率变换，提供适当的增益并能实现链路增益的调整。

EHF 频段(30～300 GHz) 和其他频段相比，具有可用带宽宽、干扰少、设备体积小的特点。EHF 频段通信容量大，可以大大提高扩频、跳频等抗干扰、抗截获措施的性能。目前，国际上EHF 频段军事通信卫星大部分工作在44 GHz/ 20 GHz 频段。

EHF 频段上变频器研制的难点在于：工作频率高，加工、制造工艺复杂；中频相对带宽比较宽，带内幅频特性指标难实现；设备3 次变频的输出杂散控制比较困难。

1、方案选择

EHF 频段的上变频器主要设计技术指标：
①增益：> 25 dB ；
②幅频特性：< 5 dB/ 2 GHz ；
③杂散抑制：< - 50 dB。

变频器的设计的关键是设备中的中频选择(即频率配置)以及电平分配。从频率变换的过程来看，变频器可以分为一次变频、二次变频和多次变频等形式。

上变频器中若采用一次变频方式，由于中频频率相对于射频输出频率较低，且射频输出工作带宽大于中频输入带宽，本振频率会泄露在射频输出工作带宽内。为了避免本振频率的泄露，必须在设备的输出端加一个抑制本振频率的带通滤波器，且该滤波器的中心频率必须与带通滤波器和频率合成器同步可调，这无疑增加了设备的成本和设计难度。

采用2 次及2 次以上变频的变频器中，只需改变频率合成器的频率就可选出所需信号，而各滤波器均可设计成频率和带宽都固定的滤波器。方案的频率变化适应性最强，频率灵活性最佳。但随着变频次数的增加，频率配置不合适时将出现组合频率干扰，本振谐波干扰等。

根据设备技术指标及频率接口的要求，并考虑混频器等器件的技术指标，设备采用3次变频的方案实现，具体分析见第1中频频率选择。设备变频过程框图如图1 所示。

图1、上变频器变频过程框图

为了下文叙述方便，定义第1 级混频器后的频率为第1 中频，简称IF1 ；第2 级混频器后的频率为第2 中频，简称IF2 ；设备中频输入简称IF。

2、中频选择及杂散计算

变频器设计的关键是杂散的控制。杂散产生的原因一般是由于混频器在混频过程中产生的谐波引起的。混频器是变频器中至关重要的器件之一，混频器的基本用途就是利用本振信号把信号从一个频率变到另一个频率。

混频器利用非线性元件来实现输入信号、本振信号及2 种信号的高次谐波在频率上的加、减运算。为了提取出有用信号，在混频后要加上适当的滤波器，滤除无用的杂散分量。但有些杂散分量(例如带内杂散) 是无法通过滤波器滤除的，只能通过调整信号频率，避免混频过程中的杂散频率落入工作带内。

当混频器应用在上变频器中，输入频率、输出频率和本振频率存在以下关系：
f_rf = ±mf_lo ±nf_if 。(1)

式中，f_rf为混频器输出频率；f_lo为混频器本振频率；f_if为混频器输入频率；m 、n 分别代表本振频率及输入频率的谐波次数。

如果设备采用多次混频，前一级混频的输出频率又作为下一级混频的输入频率，导致最终设备的输出杂散频率十分丰富，所以在每次混频后都需要增加滤波器，用于滤除本次混频产生的杂散信号，避免其进入下一级混频器。前面提到有些带内杂散信号是无法通过滤波器滤除的。带内杂散信号中的一部分，可以通过调整混频器输入电平来降低杂散信号的电平。

如果在方案设计阶段就能计算出杂散的频率和电平幅度，就可以根据计算结果调整中频频率使得最终设备的杂散能够满足要求，实现设备最优设计。选择一个好的中频频率，可以降低系统的设计复杂度，提高设备的杂散等指标。

为了确定最优的中频频率，可以通过公式计算混频输出杂散，根据结果调整频率，再计算，寻找出合适的中频，周期较长；另一种方法是可以通过微波仿真工具更加直观、快速寻找出合适的中频频率。

Agilent 公司的微波设计软件GENESYS 中的频率规划(What IF) 综合设计工具能够根据设定的频率关系，自动寻找无杂散或杂散最低的区域，选择最优的中频频点，以下的两次中频选择就是应用该软件实现的。

2. 1、中频频率选择

(1) 第二中频频率IF2 选择

使用频率规划工具，设定混频的射频输出频率，以及射频带宽、中频带宽以及