Ka频段下变频模块设计

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一款ka波段下变频模块的设计介绍,适用于通信卫星地面站的下变频器。
电躐炀与微波 式中,λ是工作频率高端频率的波长。如果不满足用50M鉴相频率,以降低程序分频比,改善环路 式(1),在盒内就可能产生波导型传播。在电路中微带宽内的相位噪声。压控振荡器采用了MCRO 带线的开路端、弯折处和跳变等不连续处都会产生4250MHz,10kHz相噪为-105dBc/Hz。 微波辐射。电磁场将以波导模形式在盒内空间传 如图3所示,外界10MHz晶振供给模块后,首 播。当反向传播的波构成正反馈时,就会导致频带先经过一个晶体管有源倍频器;然后用一个由集总 内增益平坦度变坏,在某些频率点上出现增益尖峰。器件组成的带通滤波器,取出所需的50MHz信号并 反馈过强时,还会出现自激振荡2。 滤除相邻的40MHz和60MHz信号,该带通滤波器 本模块设计中,为了减小放大器的盒内宽度,在.用了椭圆函数滤波器形式,电感全部采用贵州迅 盒体内加人了金属隔板将射频部分和电源部分隔达高Q电感;使用一级放大器将取出的50MHz信号 开,满足式(1)的要求。 放大到约0dBm,供给ADF4106使用;模块内部通过 个单片机芯片给ADF4106置数。 23S频段电路设计 锁相环的环路滤波器采用三阶无源环路滤波 S频段电路主要包括1个低通滤波器和2个放器使用 Analog Devices公司提供的免费软件ADI 大器。Ka变频模块在2G带宽内有增益平坦度SmPL,可以对环路参数进行精确设计。实际工程 要求,为了减轻Ka频段电路的增益平坦度压力,需 中,环路带宽取为48kHz,相位裕量取为50度。要 要将S频段电路增益平坦度尽量做小。 得到17GHz的本振,需要对4250MHz进行四倍频, 低通滤波器的主要作用是滤除17GH本振泄相位噪声会恶化12dB。倍频滤波后使用放大器对 漏信号,所以截止频率需要取得高些。在HFSS中 17GHz本振进行放大,得到约+13dBm的本振电平 完成滤波器的仿真后,可以将该滤波器以子电路的 提供给混频器。 形式导人到 Designer中,与放大器一起进行协同仿3模块性能指标 真,电路仿真软件与电磁场仿真软件的协同仿真技 术请参阅文献[3]。为了改善回波损耗和调整变频 模块盒体采用厚铝板制作,为了防止由于材料 增益,在放大器和滤波器之间以及放大器和输出之 热膨胀系数的不同而导致的陶瓷基片滤波器碎裂, 间各加入了一个3dB的x型电阻衰减网络。实际使用金锡焊料将陶瓷基片共晶焊到 Kovar载体上 制作的S频段电路板增益为ldB,22-42GH带内然后使用螺钉将载体紧固在盒体上;裸芯片下均用 增益平坦度为0.7dB,完全满足指标要求。 0.15mm的钼箔垫高,实现不同材料热膨胀系数的 匹配。测得整个模块的指标如下: 2417GH单点本振电路设计 输人频率:19.2~21.2GHz; 输出频率:2.2-4.2GHz; 17GHz单点本振的电路构成框图如图3所示 增益:20dB±1dB; 地面站系统采用同一个10MBz晶振,Ka频段下变 幅频特性:1.6dB/2GHz 频模块的10MHz参考由外界供给,所以不能依靠使 噪声系数:<6dB 用100MHz的晶振来改善模块相位噪声。为了满足 镜频抑制:>100dB 卫星通信用信道设备的相位噪声要求,设计了图3 相位噪声:100Hz:-71dBc/Hz; 的方案。锁相环芯片采用 Analog Devices公司 1 kHz:-796 dBc/Hz 的ADF4106,其噪声基底为-219dBc/Hz,锁相环采 10 kHz:-90 7 dBc/h 100kHz:-108.9dBc/Hz; N MHz:-132 dBC/h 鉴相器上“滤波器 输入驻波:<15:1; 输出驻波:<15:1 放大器 带通 带通 MCRO 滤波 频器 频器 4250MH 带内杂散:无关杂散:<-90dBm; 8. 5 GHz 相关杂散:<-70dBe(0dBm输 出)。 图317GHz单点本振电路构成 下转第61页) 2008年死綻电工第38第5期45 专题技术与工程应用 222二本振频率合成方案 提供20dB增益,改善噪声系数。一本振放大滤波 二本振频率合成方案如图4所示。 微带电路由1个7阶发夹线滤波器和1级NBB400 20 MHz OCXO 1/200A PD H LF H vco 平衡放大器组成,目的是抑制倍频谐波;平衡放大电 输入 167-1679GH Step=100 kH. 路的P-1dB比单管NBB400的P-1dB提髙3dB, 1/N №=16700-16708P≥0dBm 为混频器提供≥+13dBm的本振驱动电平 ADF4360-4 除此之外,第一中频处加入了一级4阶介质滤 图4二本振方案 波器,利用它优良的窄带特性抑制第二次混频镜像 如前分析,由于二本振频率比较低,环路带宽内信号和其他杂波。 鉴相器噪底恶化是主要方面。由鉴相器3结束语 ADF4360-4噪底( Phas noise_ floor) 216dB/Hz,鉴相频率(PD_∫)=100kHz和分频 采用二次变频方案设计的下变频模块体积为 比(N)可以估算环路带宽内的相位噪声(PN)为: 105mm×82mm×24.5mm,工作温度为-40℃ PN=-216+10×log(100×103) +60℃,工作电压为+8~+20V,功耗<33W,实 0xlog(1670~1678)0.1)≈ 现了小型化、低功耗设计。验证了二次变频方案在 81.5~-81.4dBc/Hz Ku频段信标接收机下变频模块设计上的优势。中 满足相位噪声指标要求且留有余量。 参考文献 2.23微带电路 [1]吴世杰.二次变频通信系统中的频率配置设计[J].无线 模块中微带电 路有2部分如图5/§ 本振放大 电通信技术,1999,25(6):7-10 F滤波微带电路 [2]BANERJEE D. PLL Performance, Simulation and Design 4th 所示 Edition m].USA National, 2006 Ku频段放大、 [3] LUDWIG R, BRETCHKO P. RF Circuit Design: Theory and 滤波微带电路,由 RF LO1 Applications[ m].王字宇,张肇仪,徐承和译北京:电子 1个7阶发夹线滤波L巴上人 工业出版社,2002. 器和2级NEA210s01 Ku频段放大 作者简介 低噪放大器组成,用滤波微带电路 陈焕东男,(1981-),中国电子科技集团公司第五十四研究所 作抑制镜频信号,并 图5微带电路 助理工程师。主要研充方向:微波、毫米波电路。 上接第45页) 测试结果表明模块各项指标均满足卫星通信要4结束语 求。测试中使用的10MHz参考晶振为Mion公司 介绍了Ka频段下变频模块的设计,对模块中的 的Mv103,该晶振在100H的相位噪声优于关键电路进行了较为详细的描述。模块采用薄膜电 140dB/H。需要说明的是,由于模块的17GHz路工艺,提高了产品小型化技术水平。微波CAD工 本振输出通过金丝键合到混频器上,无法单独测试具的应用,不仅缩短了产品的研制周期,而且极大地 17GH本振的相位噪声,所以整个模块的相位噪声降低了产品的研发成本,这一优势有利于研制的产品 指标受到信号源本身相位噪声指标的限制。单独测在日益激烈的竞争中迅速占领市场。研制的Ka频段 试信号源输出的20CHz信号的相位噪声,测得R&S下变频模块已成功应用于某工程室外单元中,该模块 SMP4信号源的相位噪声为-63dB/H@100Hz、在Ka频段卫星通信系统中有着广泛的应用前景。 89dBc/Bz@1kHz、-98.8dBc/Hz@10kz、 参考文献 101 dBc/Hz@100 kHz-1149 dBc/ hz @1 MHz: [1] HONG J S, LANCASTER M J, MICROSTRIP M J Filters for Agilent E8241A信号源的相位噪声为-71dB/Hz@ RF/Microwave Applications M ] New York: Johr 100Hz、-74.7dBc/Hz@1kHz、-105dBc/Hz@ wiley&Sons. Inc.. 2001: 127-129 10kHz、-109.1dBc/Hz@100kH、-132.2dBc/Hz [2]高葆新.微波集成电路[M].北京:国防工业出版社, 1995:254 @MH。由测试数据可见,SMP04的1kH相位噪[3]刘立浩,王民C几宽带下变频模块设计门无线电工 声指标好,其他相位噪声都劣于E8241A。所以测试 程,2007,37(1):41-44 模块相位噪声时,除1kHz相位噪声使用了SMFQ4 作者简介 信号源提供输人信号外,其他都使用E8241A信号 刘立浩男,(1978-),硕士,中国电子科技集团公司第五十四 源提供输入信号。 研究所工程师。主要研究方向微波与毫米波。 2008旱无线电工第38癮第5期61

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