宽带Ka频段下频段器设计及实现

摘 要：设计并实现了一种用于遥感卫星地面接收系统的宽带Ka频段下变频器。采用低本振的二次变频方式先将Ka频段（25～27.5 GHz，任意1 GHz带宽）射频信号下变频至X频段（7.5～8.5 GHz）射频信号，再经X频段下变频至1 200±500 MHz中频信号。本振选用锁相环方式实现，具有高性能、高可靠性等优点。该设备已用于实际工程中，测试结果可满足遥感卫星地面接收系统宽带Ka频段下变频器的技术需求。

关键词：遥感卫星；接收系统；Ka频段；宽带；下变频器

中图分类号：TN927 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）11-00-02

0 引 言

遥感卫星星地链路需传输的数据量越来越大，所占用的带宽也随之更宽，遥感信息与数据传输能力之间的矛盾日益凸显[1，2]。Ka频段可用的带宽可以满足较大的传输带宽和较高码速率的传输需要，已成为星地数据传输的发展方向[3，4]。包括我国在内的诸多国家已在中继卫星、通信卫星采用Ka频段下传卫星数据，而我国也将在低轨遥感卫星上采用Ka频段下传卫星数据。

目前，遥感卫星数据普遍采用S/X频段进行下传，而相应的地面接收系统也基于S/X频段来建设。为了解决遥感信息与星地链路数据传输能力之间的矛盾，现阶段国内外航天任务已由现在的S/X频段向Ka频段转变。因此对下行链路的下变频器的研制提出更高、更新的技术要求。

宽带Ka频段下变频器是卫星地面站接收系统中的一个重要组成部分。针对上述新的技术需求并考虑未来的技术发展趋势，本文设计并实现了一种宽带Ka频段下变频器。采用低本振的二次变频技术，将Ka频段（25～27.5 GHz）1 GHz带宽射频信号下变频至1.2 GHz±500 MHz中频信号。两个本振源均采用低本振，变频过程无频谱倒置。

在结构设计时，将Ka下变频器分成Ka-X下变频器模块与X-IF下变频器模块，且X频段下变频器模块输入射频按7.5～9.0 GHz设计，以满足X频段下变频模块兼容接收其他X频段卫星的要求。

1 方案设计及实现

1.1 中频频率及干扰分析

由于Ka频段接收链路带宽需满足1 GHz，因此目前遥感卫星地面接收系统常用的720 MHz中频，±250 MHz带宽已不能满足此技术的需求。同时为方便与当前在用的调制解调器连接，提高设备的通用化程度，中频设计为1 200 MHz± 500 MHz[5]。

宽带Ka频段下变频器采用二次变频技术，先将Ka频段（2527.5 GHz，任意1 GHz带宽）射频信号与本振频率为17.5 GHz 19 GHz的信号进行混频，输出的X频段（7.5

8.5 GHz）射频信号再与本振频率为6 3007 800 MHz的信号混频得到1.2 GHz±500 MHz中频信号。

下变频器用来选择工作频段，并将载波频率降低到中频。变频器的二次变频通过混频器实现频率转换，且在频率转换过程中将产生组合频率干扰等[6]。为防止这些频率成分形成干扰，实现如期的接收功能，最优的方法是保证组合频率产物不落入中频范围内或干扰电平较低，从而保证系统的接收性能。

采用ADS对上述下变频方式的组合干扰进行仿真分析，结果表明，对Ka-X下变频器的组合干扰均远离所用频带。对X-IF下变频器而言，2RF-2LO落在带内，即谐波落在带内，但抑制达到60 dBc以上，可以满足系统接收性能要求；其他组合干扰均较小或远离所用频带。

1.2 Ka-X下变频模块

Ka-X下变频模块主要将25～27.50 GHz任意1 GHz带宽信号下变到7.5～8.5 GHz。Ka-X下变频模块框图如图1所示。

2527.5 GHz下行信号先经过隔离器，以确保良好的输入驻波，然后由带通滤波器滤除带外无关干扰，并确保镜频抑制及中频抑制指标，同时滤除本振的返向泄露。该链路镜像频率为911.5 GHz，滤波器对该频段的抑制在75 dBc以上。同时也对7.58.5 GHz频段有75 dBc以上的抑制。

低噪放的1.3 dB低噪声系数和24 dB增益可以确保链路噪声系数指标满足要求。再经隔离器对混频器的驻波做一定改善，保证带内平坦度等指标。同时链路所选的其它器件在相应频段上有良好的平坦度指标，可保证带内平坦度。

混频器选用双平衡混频器，对偶次组合杂散有很好的抑制效果。混频输出端接隔离器，以做良好的匹配，确保平坦度等指标。再经中频带通滤波器滤除射频泄露、本振泄露和各阶组合杂散。该滤波器的带外抑制度在70 dBc以上。

采用数控衰减器进行增益调整，衰减范围为30 dB，步进为1 dB，这样可以灵活调整链路增益，避免下级链路饱和。

末级放大器选择高增益、高三阶、高输出P-1dB放大器，在该应用频段具有良好的增益平坦度特性。

最后加带通滤波器来滤除谐波，确保谐波抑制指标满足60 dBc及良好的输出驻波。

本振频率为17.5 GHz19 GHz，选用环内混频锁相环方式实现，具有高性能、高可靠性等优点。采用100 MHz恒温晶振为锁相环做参考时钟，以100 MHz为鉴相频率，首先采用15 GHz的PDRO取样锁相，和锁相环在环内混频，产生2.5 GHz4 GHz回环信号由鉴相器鉴相，输出17.5 GHz

19 GHz信号。锁相芯片采用HITTITE的鉴相器，它的归一化噪底为-230 dBc/Hz。第一个锁相环为宽带输出，所选VCO具有宽频带、低相位噪声的特点。环路滤波器采用低噪声运算放大器AD797构成有源环路滤波器，可以很好的降低运放对相位噪声的恶化。方案采用了双环结构，通过辅助环降低主环分频器，从而改善相位噪声性能。Ka-X下变频模块本振框图如图2所示。

1.3 X-IF下变频模块

X-IF下变频模块主要将7.59.0 GHz信号下变到1 200 MHz

±500 MHz。X-IF下变频模块框图如图3所示。

X-IF下变频器模块输入端为隔离器，可以有效保证产品的驻波要求。输出端接滤波器，滤波器的驻波要求小于1.3，并接电阻型匹配电路，确保输出驻波。

通道上所选择的放大器、混频器、滤波器等，在所使用的频段上具有很好的平坦度指标，各器件间也做了良好的匹配，可以确保增益平坦度要求。

射频输入滤波器通频带为7.5～9.0 GHz，需要对镜像频率及本振返向泄露进行抑制。该方案中镜像频率为5 100～

6 600 MHz，滤波器在该频段的抑制可以达到70 dBc以上，满足镜像抑制大于60 dBc的要求。

带外杂散抑制主要由中频滤波器保证。该下变频模块采用一次变频，2RF-2LO落在带内，即谐波落在带内，但抑制达到60 dBc以上，可以满足系统接收性能要求；其他组合干扰均较小，或远离所用频带。

混频器有20 dB的LO-RF隔离，放大器有35 dB的反向隔离，2只隔离器共50 dB的隔离，可以计算出射频输入端的本振泄露电平在-80 dBm以下。

增益调整采用数控衰减器HMC472，可满足30 dB调整范围，1 dB步进要求。

本振频率为6 3007 800 MHz，采用锁相环方式实现。采用100 MHz恒温晶振为锁相环做参考时钟，以100 MHz为鉴相频率。鉴相器采用HITTITE的HMC704，它的归一化噪底为-230 dBc/Hz。VCO选用HMC507，它具有宽频带、低相位噪声的特点，频率可覆盖6 3007 800 MHz，相位噪声在100 kHz处可达到-115 dBc/Hz。环路滤波器采用低噪声运算放大器AD797构成有源环路滤波器，可以很好地降低运放对相位噪声的恶化。X-IF下变频模块本振框图如图4所示。

2 测试结果

基本指标测试结果如表1所列。测试结果表明各项指标均满足遥感卫星地面接收系统的技术要求。

3 结 语

本文设计并实现了一种宽带Ka频段下变频器。Ka下变频器分成Ka-X下变频器模块与X-IF下变频器模块，采用低本振的二次变频技术，先将Ka频段（25～27.5 GHz，任意1 GHz带宽）射频信号下变频至X频段（7.5～8.5 GHz）射频信号，再经X频段下变频至1.2 GHz中频信号。X频段下变频器模块输入射频按7.5～9.0 GHz设计，以满足X频段下变频模块兼容性接收其他X频段卫星的要求。

该设备已用于实际工程中，测试结果满足遥感卫星地面接收系统的宽带Ka频段下变频器设计指标要求。

参考文献

[1]王万玉，陈金树.交叉极化干扰消除技术研究[J].电讯技术，2013 （6）：707-710.

[2]王永华，王万玉.S/X/ka频段天伺馈系统关键技术分析[J].电讯技术，2013（8）：1058-1063.

[3]J. Roselló， A.Martellucci， R. Acosta， et al.26-GHz Data Downlink for LEO Satellites[C]. 6th European Conference on Antennas and Propagation， 2012： 111-115.

[4]王中果，汪大宝.低轨遥感卫星Ka频段星地数据传输效能研究[J].航天器工程，2013，22（1）：72-77.

[5]朱维祥，王万玉，冯旭祥.遥感卫星地面接收系统一体化设计[J].现代电子技术，2015，38（9）：73-76.

[6]吕洪生.实用卫星通信工程[M].成都：电子科技大学出版社，1994：97-99.