摘" 要：为满足卫星通信系统对工作频带宽带化的需求，文章设计了一款宽带小步进下变频单机，其功能是将K频段（18～22 GHz）下变频至中频（1.2 GHz）。通过对关键指标的合理设计和优化，实现了1 kHz步进变频、瞬时带宽500 MHz以上、输出杂散低于-60 dBc的设计要求。测试结果表明，主要设计指标均优于系统指标要求。
关键词：下变频单机；宽带；小步进
中图分类号：TN773；TN927+.2 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）19-0001-06
Design and Implementation of Broadband Small Step Down Converter in K-Band
JIN Shan， LI Haoguang
（The 38th Research Institute of CETC， Co.， Ltd.， Hefei" 230088， China）
Abstract： In order to meet the requirements of wide band in satellite communication system， this paper designs a broadband small step down converter， which has the function to down convert K-band （18～22 GHz） to IF （1.2 GHz）. By rational design and optimization of key indexes， the design requirements of 1 kHz step frequency conversion， instantaneous bandwidth over 500 MHz and output spurious less than -60 dBc are realized. The testing results show that the main design indexes are better than the required system indexes.
Keywords： down converter; broadband; small step
0" 引" 言
随着传统C、Ku频段卫星轨位和频率资源的日益稀缺，以及传输速率的提高，卫星通信系统频段已向高频段发展，因其具有带宽大、通信容量大、波束窄和终端尺寸小等特点[1-2]，在我国TL-中继卫星通信系统中均已经广泛应用。而变频器在卫星通信系统中旨在实现卫星空间信号与中频基带信号之间的频谱搬移，是K频段卫星通信传输的重要设备。变频器是射频信道的重要组成部分，是决定射频信道性能的关键部件[3-4]。随着卫星通信的高速发展，高性能的射频信道对变频器提出具有高稳定、低相位噪声、低杂散、小步进等需求[5]。通常利用下变频器将接收到的高频信号，下变频至中频频段，来提高系统的稳定性，降低设备成本[6]。
1" K频段下变频单机设计
1.1" 组成与原理
K频段下变频单机的主要功能是将射频信号下变频至中频信号，为满足卫星通信系统的可替代使用，结构上采用模块化设计，能够有效地降低设备成本、缩短加工周期、便于后续维修。
1.1.1" 设备组成
单机由6个主要功能模块构成：1个通道单元（M1）、2个本振单元（M2、M3）、1个参考单元（M4）、1个网络控制单元（M5）及1个电源单元（M6）。设备组成框图如图1所示。
下变频单机将收到的K信号下变频至中频，即通道单元（M1）将K频段信号与本振模块（M2和M3）的本振信号进行混频，获得中频信号。时钟模块（M4）为本振模块提供参考时钟，并具有内外时钟切换功能，对外部10 MHz参考信号进行锁相输出100 MHz。网络控制模块（M5）通过网口，将控制指令下发给各个模块，如对本振的锁相环进行控制、控制通道内的增益调节。电源模块（M6）完成AC/DC转换，将220 V市电转化为+6 V和+12 V，为各个模块提供所需直流供电。
1.1.2" 频率方案选择
K频段下变频单机采取固定本振和跳频本振组合的二次变频方式，其中考虑滤波器能够实现有效滤除带外杂散，选择了高本振为跳频本振用来实现1 kHz步进，低本振为固定本振实现C与L之间频谱搬移，参考时钟为本振提供相参同步信号。具体频点实现要求如图2所示。
1.1.3" 参考时钟设计
参考时钟作为本振的同步相参信号，参考时钟的核心是采用锁相晶振，即10 MHz作为参考信号输入到锁相晶振，晶振输出100 MHz，以作为本振的参考信号。如果10 MHz作为参考信号直接作为本振的参考信号，由于倍频次数高，将导致相噪指标变差。参考时钟链路为了提供外部同步使用采用了两种方式选择，若外部无10 MHz同步时钟，检波输出电压会打开内部10 MHz晶振供电，此时开关切换至内10 MHz输出给锁相晶振作参考。若外部有10 MHz同步时钟信号送入，检波输出电压会断开内部10 MHz晶振供电，开关切换至外10 MHz给锁相晶振作参考。最终锁相晶振输出100 MHz再经过滤波放大作为频率合成器的参考信号，如图3所示。
1.2" 宽带小步进设计
K频段下变频单机的小步进由本振提供，而宽带特性则由通道和跳频本振共同决定。在通道模块中，选择合适的器件，如宽带放大器和宽带滤波器，以保障宽带信号能够顺利通过。
在本振模块中，一本振提供了小步进跳频信号，同时也提供宽带跳频本振信号，因此一本振模块对宽带性能和小步进性能有着密切的关系。一本振主要采用DDS、锁相环、谐波发生器和混频来实现低相位噪声低杂散的指标要求，并提供锁定指示给控制单元监控。DDS芯片频率分辨率可以达到μHz级别，可以实现小步进[7-8]。跳频本振实施原理框图如图4所示。
100 MHz信号经过谐波发生器产生1 900 MHz信号，经过二分频后功分两路，一路作为DDS的时钟信号，一路作为混频器的本振信号。DDS信号输出一段低杂散，中心频率为70 MHz的小步进信号，经过与功分后的950 MHz信号，进行混频、分频输出55 MHz作为锁相环的参考时钟。PLL通过更改锁相环内可变分配器分频数，实现对参考时钟N倍的环路锁定。
通过对原理图分析，DDS在电路中提供小步进参考时钟，经由锁相环实现N倍锁相完成1 kHz小步进频率转换。锁相环通过对55 MHz进行锁相，实现宽带跳变。
（DDS跳频步进/16）×N = 1 kHz
其中，N表示锁相环分频数（228～295），DDS跳频步进范围是70～54 Hz，系统输出频率为（单位：MHz）：
输出频率 = （（1 900/2+DDS）×N ）/16
其中，DDS表示DDS输出频率（70 MHz），N表示锁相环分频数（228～295）。经过计算，变频输出频率范围为12.397 5～16.409 375 GHz，满足1 kHz步进要求。
1.3" 环路带宽设计
输入相位噪声和压控振荡器噪声都存在的情况下，环路带宽的选择会在一定程度上改善相噪指标，通常有一个最佳值使得总输出相位噪声最小，此时称其为最佳环路带宽。在环路带宽内由晶振、鉴相器和分频器引入的噪声对输出端噪声起主要作用；而在环路带宽外，VCO引入的噪声则起主要作用。换句话而言，锁相环对晶振、鉴相器和分频器引入的噪声起低通特性，而对VCO引入的噪声起高通作用[9]，如图5所示。带宽太宽会引入杂散，太窄会延长锁定时间；综合考虑设置环路带宽为500 kHz左右，能很好抑制杂散。因此对于环路带宽以外的1M处相位噪声，主要是由锁相环内的VCO相噪决定的，这里通过选择窄带VCO保证低相噪，VCO调谐带宽与相位噪声是互相矛盾的，窄带VCO因调谐带宽小而Q值高，相位噪声低。
1.4" 镜频抑制设计
镜频信号是以本振信号为镜面对称的两个信号。因此镜频信号可以通过与本振信号相混，产生与所需信号同频的假中频信号，导致系统误码率上升等情况。在系统中可以通过合理规划频点方案，使镜频信号远离接收信号，再通过RF预选滤波器进行滤除。
该频点方案如表1所示。
对镜频分析发现，输入RF信号18 GHz距1_镜频10.8 GHz有7.2 GHz频距，因此在变频器接收端设置RF预选滤波器，可以有效抑制1_镜频进入接收系统；同时一次混频后，再次进行频谱分析。2_镜频3.2 GHz距离1_IF 5.6 GHz有2.4 GHz频距，设置1_IF滤波器，保障1_IF通过的同时，有效抑制了1_LO和2_镜频。频点分布以及各滤波器抑制如图6所示。
通过对频点分布图分析，加载相应带通滤波器后，能够有效抑制各镜频混入系统内部。
1.5" 低杂散设计
下变频单机的杂散主要由本振模块和通道模块引起。其中本振杂散主要由DDS杂散、倍频杂散、分频杂散以及混频杂散构成[10]。而通道杂散，主要由本振泄露、混频杂散，信号谐波构成。为了保证变频器杂散指标，特此对该模块进行杂散分析。
在本振杂散中，通过选取DDS杂散较低频段来作为工作频段，从而降低本振杂散，防止DDS杂散泄露至通道中。信号的倍频、分频、混频也会导致本振杂散恶化，通过适当添加滤波器对以上杂散能够进行有效的抑制。DDS直接输出作为PLL的参考信号，由于DDS输出杂散大，将DDS输出频率上变频再分频的方案，可以对杂散有20logN的改善。
在变频通道中，滤波器的设计可以有效地滤除远端杂散，如本振泄露、混频杂散、信号谐波等；但对于带内杂散，滤波器则无法有效滤除。因此可以通过频率规划，保证低阶杂散不落在带内。
以输入频率21.2 GHz、输出频率1.2 GHz进行一次、二次互调仿真分析，观测各交调产生情况，结果如图7所示。
从仿真结果可以看出，两级混频器输出组合低阶杂散均未落在带内，而远处低阶杂散可以通过带通滤波器进行抑制。而高阶杂散互调功率较低，满足杂散指标要求。
2" 测试结果
为了验证实际效果，采用信号源、频谱仪、矢网等测试仪表对主要的技术指标进行测试，具体测试如下：
1）设置信号源在18～22 GHz范围内（步进1 kHz），下变频单机对应的将该信号下变频至1.2 GHz，下调频谱仪的分辨率带宽，将频谱仪噪底降低，测试任意单频点的500 MHz带内杂散信号，其测试结果如图8所示。
2）设置信号源为扫频模式，输出频率为F0±500 MHz，观测频谱仪的扫频结果，测试3 dB带宽及带内平坦度。测试结果如图9所示。
3）利用矢网和混频器组合的方式测试单机群时延特性，矢网输出1.2 GHz中频信号后，经过混频上变频至变频器输入口，射频信号下变频至1.2 GHz进入矢网，完成信号闭环。测试框图及结果如图10所示。
根据以上测试结果汇总如表2所示。从测试结果看，都要优于设计要求值，达到了预期的效果。
3" 结" 论
本文设计的K频段宽带小步进下变频单机是一种综合性单机设备，其内部涵盖了频率源、电源、通道模块、控制等模块化设计。单机采用DDS和PLL结合的特点实现小步进宽频带，通过对频点的选择、杂散抑制的设计、环路带宽的设置以及镜频抑制的分析，完成卫星通信系统中对下变频单机的工程实现。经测试验证，该下变频单机具有频带宽、步进小、杂散低等良好特性。目前该K频段下变频单机已经应用于某测控通信系统中，其功能、性能已得到充分的验证。
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作者简介：金山（1987—），男，汉族，安徽合肥人，工程师，硕士研究生，研究方向：射频收发、微波系统。
