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Ku 频段上变频器的设计与实现
胡丽格贾世旺牛 旭（中国电子科技集团公司第五十四研究所河北石家庄050081）
摘 要 阐述了一种Ku 频段卫星通信上变频器的实现方案针对低杂散和低相位噪声输出这2个难点采用多次变频方案以及选用高抑制度的滤波器实现变频器的低杂散输出；采用多环锁相方案实现低相位噪声输出。给出测试结果杂散抑制－70dBc （500MHz 带内）相位噪声－85dBc／Hz ＠10kHz验证了该方案的可行性。
关键词 卫星通信；Ku 频段；上变频器
中图分类号 TN773∙4 文献标识码 A 文章编号 1003－3106（2009）06－0046－03
Design and Implementation of Ku-band Up-converter
HU L-i geJIA Sh-i wangNIU Xu （The54th Research Institute of CETC Shijiazhuang Hebei050081 China）
Abstract A scheme of up-converter in Ku-band satellite communications is presentedwith low spurious and low phase noise output particularly considered．By using multiple frequency conversions and filters with high rejectionlow spurious output of the up-converter is realized．Furthermoreby using multiple phase-locked loopslow phase noise output is realized．Finallytest results are presented to illustrate the efficiency of the scheme with spurious of －70dBc （500MHz in-band） and phase noise of －85dBc／Hz＠1kHz．
Key words satellite communications；Ku-band；up-converter
0 引言
上变频器是卫星通信系统的重要组成部分实现中频信号到射频信号的频谱搬移以利于信号的空间传输。随着我国卫星通信事业的飞速发展人们对频谱资源的需求不断增加以往的UHF 频段和C 频段已不能满足需求人们开始把目光投向更高的Ku 频段。Ku 频段卫星通信具有通信容量大、外界干扰小、天线增益高等优点。国外的COMTECHEF DATA 和MITEQ 等公司相继推出Ku 频段卫星通信上变频器。Ku 频段上变频器的研制对国内Ku 频段卫星通信具有很重要的意义。
1 变频器的性能要求及电路实现
随着卫星通信事业的发展通信系统对变频器的要求尤其是对变频器的频率灵活性的要求也越来越高。以往变频器的频率步进通常为1MHz近年来随着卫星业务量的增加要求变频器的频率步进尽可能小目前大多数系统已要求变频器实现125kHz的频率步进。这无疑增加了变频器中本振源的设计难度。同时通信系统还要求变频器低杂散输出增加了变频链路的设计难度。
卫星通信要求Ku 频段上变频器达到的性能如下：
输出杂散：≤－65dBc（500MHz 带内）；
输出相位噪声：≤－65dBc／Hz＠100Hz；
≤－75dBc／Hz＠1kHz；
≤－85dBc／Hz＠10kHz；
≤－95dBc／Hz＠100kHz；
频率步进：125kHz。
为了实现低杂散输出Ku 频段上变频器采用多次变频方案如图1所示。
图1 Ku 频段上变频器原理
变频链路2即BUC（Block Up Converter）仅完成L频段至Ku 频段的频谱搬移功能简单采用现有的成熟技术即可实现。变频链路1和本振源既实现频谱搬移功能又实现增益调整和选频功能同时要求低杂散、低相位噪声输出所以变频链路1和本振源是Ku 频段上变频器设计的难点。
2 关键电路的设计
2∙1 变频链路1的设计
低杂散输出是变频链路1设计的难点。在变频链路1中由于中频频率（70MHz±20MHz） 较低如果采用1次变频则绝大多数的本振频率都在射频工作频带之内形成难以抑制的杂散因此变频链路1采用2次变频、高本振方案既可抑制杂散又无频谱倒置现象其实现框图如图2所示。
图2 变频链路1原理
经计算当中频选为860MHz 时输出带内的组合杂散频率最少。第1次变频没有9次以内的组合杂散频率落在输出带内。第2次混频的组合杂散频率如表1所示。
表1 第2次混频的组合杂散频率
表1中m 为本振频率谐波次数n 为中频频率谐波次数。根据混频器理论以及对混频器所做的实际测试当信号电平低到一定程度（一般小于－15dBm时）它的杂散产物mLO±nIF（ m≠1n≠1）下降到－70dBm 以下。因此在设计中采用双平衡混频器以及减小中频信号电平、设置高抑制度的带通滤波器来抑制杂散确保满足杂散指标要求。2次混频均采用双平衡混频器对偶次组合杂散有很好的抑制。而奇次f（3－5）、f（5－9）、f（－39）的组合杂散可通过减小中频信号电平使其在输出端的电平小于－70dBm。
2个本振的泄漏也是主要的杂散对2个本振的抑制也是链路设计的一个重点。第1次混频后的带通滤波器选用高Q 陶瓷介质滤波器该滤波器具很好的带外抑制特性尤其是对第1本振输出的930MHz信号的抑制达到了70dB。第1本振信号的输出电平为10dBm第1混频器对本振的隔离度为40dB因此从介质滤波器的输出端泄漏的本振电平为－100dBm再经后级放大30dB在输出端第1本振泄漏为－70dBm。
第2次混频后输出的L 频段信号（950MHz～1450 MHz ） 的高端与第2 本振信号（1810～2310MHz）的低端仅差360MHz这要求第2次混频后的带通滤波器必须有很好的带外抑制特性。高Q陶瓷介质滤波器带外抑制特性好体积小但是实现宽带比较困难。经过分析比较该滤波器采用2个高Q 陶瓷介质滤波器分段实现既实现了较高的带外抑制特性又满足宽带的设计要求。分段滤波器对第2本振信号的抑制为75dB。第2本振信号的输出电平约为10dBm第2混频器对本振的隔离度为25dB因此从滤波器的输出端泄漏的本振电平为－90dBm再经后级放大30dB最终第2本振泄漏为－60dBm。
2∙2 本振源的设计
本振源为变频链路1提供2个本振信号其中第1本振输出930MHz 的单点信号第2本振输出1810～2310MHz 的宽带信号并以125kHz 步进。低相位噪声输出是本振源设计的一个难点。由锁相环的原理可知由式（1）计算环路带宽内的相位噪声环路带宽外的相位噪声取决于压控振荡器（VCO）的相位噪声。
首先计算第1本振输出的相位噪声芯片的基底噪声（Phase Noise Floor）为－210dBc／Hz如果鉴相频率（FPD）取5MHz环路带宽取30kHz则N 为186由式（1） 计算出环路带宽内的相位噪声为－98dBc／Hz。在该频段VCO 输出的相位噪声为－130dBc／Hz＠100kHz。因此一个锁相环就可实现低相位噪声输出。
以相同的方法计算第2本振输出的相位噪声如果鉴相频率（FPD）取125kHz环路带宽取30kHz当输出为2310MHz 时N 为18480由式（1）计算出环路带宽内的相位噪声为－74 dBc／Hz不满足－83dBc／Hz ＠10kHz 的指标要求。如果环路带宽小于10kHz由于VCO 的近端相位噪声较差同样无法满足指标要求。
由锁相环的原理可知对于相同的输出频段步进越小则N 值越大输出相位噪声越差。为了解决这一矛盾必须采用多个锁相环每个锁相环的N 值不能太大再通过混频或锁相的技术达到所需的输出频率。第2本振采用如图3所示的三环锁相技术实现低相位噪声输出。
图3 本振源原理
图3中PLL4为第1本振PLL1、PLL2和PLL3构成第2本振。其中PLL2的频率步进为5MHz而5MHz 以内更小的频率步进则由PLL1实现PLL3为输出合环。三环锁相技术可同时实现宽带小步进输出和低相位噪声输出。
应用Genesys2003软件中的PLL 软件包分别对PLL1、PLL2和PLL4建立仿真。仿真结果PLL2在偏离载频10kHz 时输出相位噪声约为－100dBc／Hz。由锁相环的原理可知PLL3环路带宽内的相位噪声为PLL1输出相位噪声和PLL2输出相位噪声的叠加而PLL1的相位噪声远优于PLL2的相位噪声。如果2个噪声相差较大（例如大于10dB）叠加噪声约为最大的噪声较小的噪声可以忽略不计。因此PLL3环路带宽内的相位噪声约为PLL2输出的相位噪声PLL1输出的相位噪声可忽略不计。在偏离载频10 kHz 时PLL2 输出的相位噪声为－100dBc／Hz由于PLL3的4次倍频作用使第2本振输出相位噪声约为－88dBc／Hz＠10kHz满足指标要求。VCO3 输出相位噪声的典型值为－115dBc／Hz＠100kHz。因此当PLL3的环路带宽取30kHz 时偏离载频不同点的相位噪声均满足指标要求。
2∙3 Ku 频段上变频器的测试结果
该变频器已在某工程中应用经测试各项性能均达到或优于指标要求。当输出频率为14∙25GHz时杂散优于－70dBc（500MHz 带内）相位噪声优于－86dBc／Hz＠10kHz均优于指标要求。
3 结束语
根据本方案设计的Ku 频段上变频器性能稳定可靠各项指标达到国外同类产品水平已经进入工程应用阶段。Ku 频段上变频器的研制成功对于取代国外同类产品实现关键设备的国产化具有很重要的意义。
参考文献
［1］ ROHDE U LNEWKIRK D P∙无线应用射频微波电路设计［M］．刘光祜张玉兴译．北京：电子工业出版社2004．
［2］ 张厥盛郑继禹万心平．锁相技术［M］．西安：西安电子科技大学出版社1994．
［3］ 高桂友朱学祺蓝登武．地球站微波收发信机［M］．北京：人民邮电出版社1988．
作者简介
胡丽格 女（1975－ ）中国电子科技集团公司第五十四研究所工程师。主要研究方向：卫星通信、微波频率合成。
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