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Ka频段下变频组件仿真设计

时间:2024-05-04

黄亮 赵海 潘威

摘要    本文主要研究Ka频段下变频组件仿真设计的具体方式,包括射频链路仿真设计、中频链路仿真设计、本振源路仿真设计、变频组件仿真计算等内容。通过本文的分析,对下变频组件仿真设计的方式进行浅谈,以期为相关人员提供参考。

【关键词】Ka频段 变频组件 仿真设计

Ka频段是电磁频谱中微波波段所包含的一部分,其频率范围为26.5GHz至40GHz。由于Ka频段有着较强的独特性,在实际应用的过程中被广泛应用在制导、雷达、通信等领域中。就电子对抗系统而言,Ka频段信号需要下变频到低、中频波段进行信号的调制解调、信号处理等功能,下变频组件的性能直接影响系统接收机的性能,因此需要对Ka频段下变频组件进行仿真设计。

1 Ka频段射频链路的仿真设计

在对射频链路进行仿真设计的过程中,其接入端口需要使用型号为(SAST)G*2.92-KFD9G的SMA接头,位于整个组件的前端,因此必须保证其驻波及插损符合组件的基本要求,否则将会影响其整体性能。根据经验,可以采用的结构形式为同轴-微带,这种技术方式便于组件在上级分机中与其它组件级联,和组件内部芯片间的级联,同时容易加工,不会产生较高的损耗。

下变频组件需要满足系统对信号放大,系统动态扩展和限幅保护的需求,Ka频段的射频信号在传输的过程中,依次经过限幅器、数控衰减器和低噪声放大器,与混频器实现链接。在实际的仿真设计过程中,可以使用三维电磁仿真软件完成计算,为了使交调产物功率尽量小,到混频器前的射频信号最大功率应比其输入P1dB小5至10dB,结合组件的增益、噪声和输入P1dB等要求,以此来得到射频链路各组成器件需要满足的指标。

2 Ka频段中频链路的仿真设计

除受混频器非线性因素的影响会产生很多交调分量之外,由于使用型号为HMC292的混频器,其需要13dBm以上的本振信号进行驱动,会增加本振泄露的风险,甚至会出现覆盖中频信号的现象,所以对本振进行抑制有着较强的必要性。为了能够实现高杂散抑制、高增益的目的,在对中频链路进行仿真设计的过程中,应该使用的结构形式为:滤波-放大-滤波-放大。另外,需要在综合分析系统功耗的基础上,完成选取中频放大器的环节,并注意对输出P1dB因素的影响。

通常本振信号、中频信号的频率相距较远,很可能会受到谐振式滤波器寄生通带的影响,对此组件应该使用七级高低阻抗低通滤波器和U型发夹式耦合线微带滤波器两级滤波的形式。通过这样的设计方式,能够获得Ka频段中频链路的仿真设计结果,从而进行更加深入对杂散抑制的分析。同时,可以在组件中级联π型衰减器,合理地分配各衰减器的衰减值,提供上级分机适宜大小的增益值且保证组件中各个放大器能够处于线性的运行状态。

3 Ka频段本振源链路的仿真设计

结合Ka频段中频链路的仿真设计,设计人员还应该对本振源进行设计,保证其框图设计的合理性。在仿真设计的过程中,会出现相位噪声的问题,即在Ka频段中的信号源中,很多噪声会随机出现,从而影响本振信号的稳定性,或者出现相位起伏等问题。这一问题,实际上是表征信号中,表示短期内输出频率是否稳定的指标,其中大的相位噪声会在一定程度上,影响Ka频段系统接收机的动态范围、选择性,进而导致电子对抗系统中会出现更多的误码率。因此对本振源进行仿真设计,成为优化Ka频段系统的关键环节。

在具体的设计方案中,其实现方式为锁相+倍频,同时对外输入信号进行5倍频处理,信号为10MHz,经过处理以后形成50MHz信号,从而提高信号的相噪。另外,Ka频段组件中锁相环的输出频率,等于23.2GHz,其相噪来四部分,即VCO、电荷泵、反馈分频、参考输入,贡献公式为:STOT=(SREF2+SN2)*[G/(1+GH)]2+SCP2*(1/Kd)2*[G/(1+GH)]2+SVCO2*[G/(1+GH)]2。通过此公式能够对本振源仿真结果进行分析、计算,为Ka频段下变频组件仿真计算提供有价值的参数据考。

4 Ka频段下变频组件仿真计算

通过以上对Ka频段下变频组件的下级子链路的仿真设计,就能够基于仿真设计结果,进行具体的组件仿真计算。在完成无源电路设计、芯片选择的基础上,能够通过获取的各个组建参数,使用ADS软件,对Ka频段下变频组件进行系统级联仿真,最终得到组件能够满足的性能数据结果。具体来说,基于ADS软件的仿真计算,将26.5GHz~36GHz,-80dBm~+5dBm输入信号下变频,输出4.6GHz~8.4GHz适宜变频后端处理的信号,其结果为:Ka频段下变频组件的噪声系数等于7.2dB,变频增益结果等于4~10dB,杂散抑制的结果在70dBc以上,输出P1dB的结果等于12dBm。在全频段的最大输入功率为-15dBm情况下,经过计算得出交调信号的抑制结果为50dBc。通过优化微带线与芯片、微带线与绝缘子水平过渡级联的仿真设计,可将组件输入输出驻波控制在2.5以下。

笔者基于上述仿真结果,成功设计出一个Ka频段下變频组件,实测性能指标与仿真结果一致,如图1所示。

5 结语

综上所述,Ka频段下变频组件的仿真设计,涉及到很多不同的层面,需要技术人员采用合理的方式和工具完成仿真设计工作。以此为基础,可以提高无源电路、芯片选择的合理性,优化Ka频段电子对抗系统的性能,并实现对组件的级联仿真,其最终的结果符合Ka频段电子对抗系统的要求。因此,结合本文的分析发现,文中所提及的仿真设计方案,具有较强的可行性。

参考文献

[1]褚庆昕,何殷健.基于共面臂波导魔T的Ka频段功率合成放大器[J/OL].微波学报:1-4[2018-12-29].

[2]张晓燕,杨夏青,武秀广.Ka频段“动中通”地球站频率使用技术规范研究[J].中国无线电,2018(10):29-33.

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