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1 S-Ku变频器技术指标 S-Ku波段上下变频器的设计,基于ADF4107 芯片研制了频率合成器锁相源,上下变频器,设计了 S波段同轴四腔滤波器和KU波段腔体滤波器。并对上变频的幅频特性和相频特性以及下变频器进行了测试。图1 上变频器变技术方案图2 S-Ku下变频器方框图中频信号的中心频率为1 980MHz~2 010MHz 带宽为30MHz,中频输入接三腔同轴滤波器,选择一次上变频方案,则本振信号的频率范围为10 738 MHz,本振信号同射频信号频带非常接近,如果混频器的射频输出端口和本振端口之间的隔离性能不够好,设计合适的滤波器,可较容易解决本振泄漏的问电 子 器 件第34卷题,但是却需要多路本振信号和多个混频器,大大增加了系统的复杂性,因此仍然采取一次变频的设计方案。
2 微波变频器的设计 2. 1 微波频率合成器锁相源的设计频率合成器是组件的核心部分,根据系统对本振频率范围、相位噪声的要求,同时考虑到设计和调试的方便性以及研制的成本,选择内置VCO的一体化频率合成集成电路。是采用ADF4107芯片的频率合成器的电路图。ADF4107产生对应频段的本振信号,放大器将信号放大到足够的电平,腔体滤波器滤除带外的杂散和谐波。图4 频率合成器电路原理图频率合成器电路原理图 ADF4107是频率合成器的核心。ADF4107频率合成器可用于无线接收和发射机的上变频和下变频的本地振荡。它们由低噪声的数字PFD(相位频率检测器)、精确的充电泵,可编程的参考(基准)分频器,可编程A和B计数器,双模式充电泵系数(P/ P+1), 5 bit的A和13 bit的B计数器,结合双模式充电泵系数(P/P+1),进行N分频器(N=A+BP) 等组成。
此外, 14 bit参考(基准)计数器(R计数器)允许在参考(基准)频率输入压控振荡器采用HITTITE公司的HMC513LP5 芯片,其输出功率为7 dBm,输出频率10. 43 GHz~ 11. 46 GHz相位噪声为-110 dBc/Hz@ 100 kHz, F0/2输出为5. 21 GHz~5. 73 GHz,F0/4输出为2. 6 GHz~2. 86 GHz,调谐电压为2 V~13 V,电流270 mA,由于VCO的输出功率较低,故为保证有足够的功率,在VCO输出加一级放大器,可得锁相环路的传递函数。 H(S)=?o(S)?i(S)=KoKdF(S)S+KoKdF(S) 在这里,我们假定鉴相器和VCO都是理想线性的,因此Kd,Ko都是常数,那么影响传递函数的因素主要是F(S),即影响锁相环路的重要因素便是环路滤波器。实际电路如图4、图5所示。图5 频率合成器的实物图 160 第2期王培章,雷 光: S-Ku频段模拟卫星转发器的设计采用这种方案根据目前的技术水平最高频率可以做到26. 8 GHz,放大器采用FET管子,输入和输出都采用双支节微带线匹配器匹配,可产生10 dB 的增益。双支节微带线匹配器尺寸通过(ADS)软件仿真得到。图6、7是频率源的测试结果。将频率合成器的射频输出端连上实时频谱仪后,可以在频谱仪上看到图5 所示的情况。频率合成器输出信号是10 738MHz。在偏离中心频率1 kHz处,相位噪声为-80 dBc/Hz,偏离中心频率10 kKHz处,相位噪声为-75 dBc/Hz。图6 中心频率10. 738 GHz SPAN为10 KHz 图7 中心频率10. 738 GHz SPAN为500 KHz
2. 2 Ku波段腔体滤波器设计 腔体滤波器基本工作原理 Ku波段腔体滤波器其结构原理如图8所示。各谐振单元之间通过电磁场耦合,但主要是通过磁场耦合。图8 Ku波段腔体滤波器谐振单元的本征模计算,根据滤波器的通带频率选择已知电磁场解的谐振单元。构造单腔,实际滤波器中单个腔体的尺寸一致;再利用三维全波电磁仿真软件AnsoftHFSS进行本征模分析,本征模式是结构的谐振频率,基于有限元算法的HFSS采用本征模式求解器求出该结构的谐振频率。 测试结果用AgilentN5230A PNA矢网对滤波器进行测试, 实测结果中,包含了测试架的插损和反射损耗(未扣除)。图9给出了S21测试数据,实测结果是带内插损 <1.2 dB,图10给出了S11的测试曲线,回波损耗<- 14.5 dB; -3 dB带宽80MHz;带外抑制, f0±200MHz >55 dBc、f0±350MHz >65 dBc;理论仿真与实测结果较吻合,滤波器总体尺寸21mm×34mm×110mm。
SPAN为400MHz滤波器带内响应实测结果滤波器带内S11实测结果 2. 3 S波段腔体滤波器设计同轴腔滤波器工作于TEM模,其结构原理如图 12所示。各谐振单元之间的通过电磁场耦合,但主要是通过磁场耦合。给出了S21的测试曲线, 带内插损<1. 5 dB, 3 dB带宽44MHz,带外抑制f0 ±100MHz >32 dBc、f0±310MHz >48 dBc。同轴腔之间的谐振杆用于调节滤波器的带宽,插入越深即耦合越强带宽越宽,同轴腔内导体之上的导体园片用于调节滤波器的中心频率,和内导体之间的距离越小中心频率越低,因为末端加载电容越大,谐振频率越低,三个园片和内导体之间的距离应同步调节,中心频率调节范围为200MHz。 161电 子 器 件第34卷图11 滤波器带内响应实测结果图12 三腔同轴滤波器结构图
3 变频器测试结果 S-Ku波段上下变频器结构如图13所示,当中频为 2 000MHz,功率为-19 dBm时,本振信号10 738MHz, 功率电平为10 dBm,射频输出为12 738 MHz电平 -23.7 dBm,下边带频率8. 738 GHz,电平-22. 6 dBm,经过Ku波段腔体滤波器后12 738 MHz电平 -25.8 dBm,下边带频率8. 738 GHz,电平-90. 0 dBm,得到很好的抑制,变频损耗为6.8 dB,下变频测试中,变频损耗为6 dB,输出S波段滤波器对Ku波段信号得到很好抑制,测试结果表明上下变频器各项技术指标达到系统设计要求。
