CN204498071U - X-Ka频段上变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种X-Ka频段上变频器，其特征在于包括一级变频单元、与一级变频单元相连的二级变频单元以及控制一级变频单元和二级变频单元的控制器；其中，一级变频单元用于对输入的X频段的信号进行上变频，并将上变频后的信号进行分路；其中，分出的其中一路信号为二级变频单元的输入信号，分出的另一路信号直接输出；二级变频单元用于将一级变频单元分出的输入信号接入后进行上变频输出。通过本实用新型能够将X频段的信号上变频至Ka频段，从而实现Ka双频段输出，同时还能够实现上变频器的小型化设计。

Description

X-Ka频段上变频器

技术领域

本实用新型涉及卫星数据地面接收系统设备链路技术领域，更为具体地，涉及一种卫星数据地面接收系统X-Ka频段上变频器。

背景技术

随着对地观测技术的进步，星地链路需要传输的数据量越来越大，信息码率越来越高，因而所占用的带宽也越来越宽，但现有的星地链路却不能满足大数据量的传输，这就使得遥感信息与星地链路的数据传输能力之间的矛盾日益凸显。

在对地观测卫星数据地面接收系统的上行信号链路中，一般将信号的编码、调制及滤波等在中频进行，然后通过上变频器将频率搬移到较高的频段，最后接入到低噪放大器经信号放大后，馈送到发送天线接收端，实现下行信号的模拟。上变频器作为卫星地面数据接收系统上行链路的关键设备，其性能的好坏直接影响到上行链路的性能指标，同时也影响着信道链路检测的水平。

由于目前的对地观测卫星数据普遍采用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的数据传输能力之间的矛盾，现阶段国内外航天任务也由现在的S/X频段向Ka频段转变。然而，目前并没有在轨的低轨Ka频段遥感卫星，因此，如果要采用Ka频段进行卫星数据的下传，需要对其相应的地面接收系统的设备进行升级。在遥感卫星数据接收系统建设和升级中，对上行链路的上变频器的研制提出更高、更新的技术要求。另外，在接收系统标校测试过程中，因涉及野外测试，上变频器的便携性设计要求更为突出。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的是提供一种X-Ka频段上变频器，以将X频段的信号上变频至Ka频段，实现Ka双频段输出和上变频器的小型化设计。

本实用新型提供X-Ka频段上变频器，其特征在于，包括：

一级变频单元、与一级变频单元相连的二级变频单元以及控制一级变频单元和二级变频单元的控制器；其中，一级变频单元用于对输入的X频段的信号进行上变频，并将上变频后的信号进行分路；其中，分出的其中一路信号为二级变频单元的输入信号，分出的另一路信号直接输出；二级变频单元用于将一级变频单元分出的输入信号接入后进行上变频输出。

此外，优选的结构为，一级变频单元包括依次相连的第一处理模块、第一混频器、第二处理模块、第三处理模块和分路器；其中，第一处理模块通过滤波器、衰减器和放大器将输入的X频段的信号进行处理后输出；第一混频器将第一处理模块输出的信号与Ka频段的一级本振进行混频；第二处理模块将第一混频器混频后的信号通过第二选控开关接入并滤波处理后，通过第三选控开关输出Ka频段1信号；第三处理模块通过放大器、衰减器、滤波器将第三选控开关输出的Ka频段1信号进行处理后输入到分路器；分路器用于对输入的信号进行分路处理；控制器根据网络配置指令对一级本振的本振点频和第二、三选控开关进行控制。

此外，优选的结构为，二级变频单元包括第一选控开关和依次与第一选控开关相连的第四处理模块、第二混频器、第五处理模块；其中，第一选控开关选控接入所述分路器分出的其中一路信号；第四处理模块通过放大器将第一选控开关接入的信号进行增益调整处理后输出；第二混频器将第四处理模块输出的信号与Ka频段的二级本振进行混频；第五处理模块通过滤波器、放大器、衰减器将第二混频器输出的信号进行处理后输出Ka频段2信号；控制器根据网络配置指令对二级本振的本振点频和第一选控开关进行控制。

其中，优选的结构为，在第一处理模块、第一混频器、第二处理模块、第一选控开关的前端分别设置有隔离器。

此外，优选的结构为，一级本振包括三个本振点频；二级本振包括两个本振点频。

利用上述根据本实用新型的X-Ka频段上变频器，能够将X频段的信号上变频至Ka频段，从而实现Ka双频段输出，同时还能够实现上变频器的小型化设计。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本实用新型的更全面理解，本实用新型的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本实用新型实施例的X-Ka频段上变频器的第一逻辑结构框图；

图2为根据本实用新型实施例的X-Ka频段上变频器的第二逻辑结构框图；

图3为根据本实用新型实施例的X-Ka频段上变频器的电路结构示意图；

图4为根据本实用新型实施例的一级本振电路结构示意图；

图5为根据本实用新型实施例的二级本振电路结构示意图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细描述。

针对前述现有的Ka频段的卫星数据地面接收系统的上变频器存在设备规模大、性能低等问题。本实用新型通过两级变频模块能够实现X-Ka频段信号的上变频，同时还能够实现Ka双频段输出以及上变频器的小型化设计。

下面结合图1、图2对本实用新型提供的X-Ka频段上变频器进行说明。其中，图1示出了根据本实用新型实施例的X-Ka频段上变频器的第一逻辑结构；图2示出了根据本实用新型实施例的X-Ka频段上变频器的第二逻辑结构框图。

如图1所示，本实用新型提供的X-Ka频段上变器100包括：一级变频单元110、与一级变频单元110相连的二级变频单元120以及控制一级变频单元110和二级变频单元120的控制器130。

其中，一级变频单元110将输入的X频段的信号进行上变频，并将上变频后的信号进行分路；其中，分出的其中一路信号为二级变频单元120的输入信号，分出的另一路信号直接作为Ka频段1信号输出；分出的其中一路信号通过第一选控开关接入并进行上变频后输出Ka频段2信号；控制器130对一级变频单元110和二级变频单元120进行控制。

具体地，如图2所示，一级变频单元110包括依次相连的第一处理模块111、第一混频器112、第二选控开关、第三选控开关、第三处理模块113和分路器；二级变频单元120包括第一选控开关和依次与第一选控开关相连的第四处理模块、第二混频器和第五处理模块。

具体地，第一处理模块111通过滤波器、衰减器和放大器将输入的X频段的信号进行处理后输出；第一混频器112将第一处理模块111输出的信号与Ka频段的一级本振进行混频；将第一混频器112混频后的信号通过第二选控开关接入，然后通过滤波器滤波处理后，通过第三选控开关输出Ka频段1信号；也就是说，通过第二处理模块将第二选控开关接入的信号进行滤波处理，然后由第三选控开关输出滤波处理后的Ka频段1信号；第三处理模块113通过放大器、衰减器、滤波器将第三选控开关输出的Ka频段1信号进行处理后输入到分路器；所述控制器可接受网络配置指令对一级变频单元的一级频点和第二、三选控开关进行控制。

分路器用于对第三处理模块113输入的信号进行分路处理。其中，分路器分出的其中一路信号通过第一选控开关接入到二级变频单元120中；第四处理模块121通过放大器将第一选控开关接入的信号进行增益调整处理后输出；第二混频器122将第四处理模块输出的信号与Ka频段的二级本振进行混频；第五处理模块123通过滤波器、放大器、衰减器将第二混频器输出的信号进行处理后输出Ka频段2信号；控制器根据网络配置指令对二级本振的本振点频和第一选控开关进行控制。

作为本实用新型的一个示例，X频段的输入信号为8.45GHz±500MHz，一级本振有三个本振点频，分别为10.05GHz、10.55GHz、11.05GHz，通过第一混频器112混频后，能够将8.45GHz±500MHz搬移到18GHz～19GHz、18.5GHz～19.5GHz、19GHz～20GHz，实现一级Ka频段信号输出。

具体地，X频段输入信号经滤波器、衰减器和放大器处理后，在第一混频器与一级本振的三个点频混频，控制器根据网络配置指令对一级本振的本振点频、第二选控开关和第三选控开关进行控制，实现一级变频单元的混频与滤波功能。混频后的信号再经放大、滤波、可调衰减后进入分路器。分路器实现的一路输出18GHz～20GHz的Ka频段射频信号(即Ka频段1信号)，另一路通过第一选控开关接入到二级变频单元120中。

第四处理模块121对第一选控开关接入的信号进行放大处理后与具有7GHz和7.5GHz的二级本振进行混频，然后将混频后的信号经过滤波、放大、衰减后输出25GHz～27.5GHz的Ka频段2信号。

另外，本实用新型在第一处理模块、第一混频器、第二处理模块、第一选控开关的前端(即每个模块的输入端)分别设置有隔离器。

为了进一步说明本实用新型提供的X-Ka频段上变频器，下面结合图3和图4以示例的方式对X-Ka频段上变频器作更为详细的说明。

其中，本实用新型使得镜像抑制、带外抑制、噪声系数、输入/输出驻波比、1db压缩点、群延时、幅度平坦度、本振相位噪声以及可靠性等主要技术指标满足对地观测卫星数据地面接收系统上行链路的设计要求。

本实用新型的主要的技术指标如下：输入频率：7.95GHz～8.95GHz；输出频率：18GHz～20GHz，25GHz～27.5GHz；增益可控范围：0～20dB，1dB步进；镜像抑制≥60dBc；带外抑制≥50dBc；噪声系数≤16dB；输入/输出驻波比：1.5:1；1dB压缩点≥+5dBm；群时延：2ns(峰-峰值)；幅度平坦度≤2dB(输出频段内)；本振源相位噪声≤-70dBc/Hz100Hz或者≤-85dBc/Hz1KHz或者≤-95dBc/Hz10KHz或者≤-105dBc/Hz100KHz或者≤-115dBc/Hz1MHz。

根据对上述技术指标的分析和功能分配，由于本实用新型提供的X-Ka频段上变频器具备多种频段的Ka信号输出，因此，在架构设计时考虑到功耗及实际使用的需求，高频段的Ka链路可以通过控制器远程控制来实现设备电源的开启/关闭，而信号输出采用开关进行控制。具体地，图3示出了根据本实用新型实施例的X-Ka频段上变频器的电路结构。

如图3所示，本实用新型提供的X-Ka频段上变频器，能够将X频段信号通过两级变频结构实现Ka双频段输出。其中，一级变频结构(即上述一级变频单元110)输出18GHz～20GHz的Ka频段射频信号，二级变频结构(即上述二级变频单元120)输出25GHz～27.5GHz的Ka频段射频信号。

具体地，一级变频结构将输入的X频段的信号经隔离器隔离、滤波器滤波、衰减器衰减、放大器放大后与Ka频段的本振信号进行混频，然后再将混频后的信号经放大、衰减、滤波后输出。

其中，在一级变频结构中，输入的X频段的信号频率为8.45GHz±500MHz，将8.45GHz±500MHz的信号施加12.3V电压，经隔离器、滤波器、衰减器、放大器处理后与Ka频段的一级本振进行混频。其中，一级本振为10.05GHz、10.55GHz、11.05GHz三个本振点频。通过混频能够将8.45GHz±500MHz搬移到18GHz～19GHz、18.5GHz～19.5GHz、19GHz～20GHz，然后再由控制器通过对选控开关的控制对混频后的18GHz～19GHz、18.5GHz～19.5GHz、19GHz～20GHz三个频率范围的信号进行选择，再经放大、可调衰减、滤波后进入分路器，从而实现18GHz～20GHz的Ka频段射频信号输出。其中，分路器的一路18GHz～20GHz的Ka频段射频信号将直接馈送到发送天线发往接收端，而分路器分出的另一路18GHz～20GHz的Ka频段射频信号将作为二级变频单元的输入端。

具体地，经分路器分出的另一路18GHz～20GHz的Ka频段射频信号经选控开关接入并进行处理，处理后的信号与Ka频段的二级本振(二级本振频点为7GHz和7.5GHz)进行混频，混频后的信号再经滤波、放大、衰减后输出25GHz～27.5GHz的Ka频段射频信号。

如图3所示，输入端隔离器能够确保良好的输入驻波，输出驻波由电路间的良好匹配及精心调试保证。预选带通滤波器滤除带外无关干扰，并确保镜频抑制指标，同时滤除本振的返向泄露。该滤波器对本振频率有75dBc以上的抑制，再加上混频器本身的35dBc抑制，2级隔离器的共50dBc的返向隔离，输入端口的本振泄露可以保证在-80dBm以下。输入前端置一个数控衰减器，在大信号输入时将衰减器置于衰减状态，避免放大器及混频器饱和，确保整机输入动态范围。放大器选择高增益、高三阶、低噪声系数的放大器，且在应用频段有良好的平坦度指标。

混频器前端置隔离器，对混频器的驻波做一定改善，匹配作用，保证带内平坦度等指标。混频器选择双平衡混频器，对偶次组合频率具有较好的抑制，且在应用频带范围内都能有很好的特性。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，另外通过精心的调试，带内平坦度的指标可以得到保证。混频通过3个点频本振将8.45GHz±500MHz搬移到18GHz～19GHz、18.5GHz～19.5GHz和19GHz～20GHz频带范围内。经计算，7阶以内组合杂散无落在带内。杂散抑制可保证在60dBc以上。

25GHz～27.5GHz变频启用时，其通过远控先启动其总电源，再将射频输入端的开关打开，本振启动。该变频采用低本振7GHz或者7.5GHz，用户可根据使用需要自行设置。

由于变频信道主要由放大器、混频器和滤波器等组成。放大器和混频器对变频信道的群时延影响较小，通常为几十ps(Picosecond，一兆分之一秒)量级。变频信道的群时延特性主要由信道中的滤波器决定。滤波器的群时延特性主要和其阶数、通带和阻带过渡处的衰减变化有很大关系。通常滤波器的带宽越大，群时延特性越好，而考虑到带外抑制的要求，带宽又不能太宽，因此在滤波器的设计时需根据信号群的时延特性合理设计，在此不再赘述。

由于射频滤波器设计要求带内群时延波动≤0.5ns，24小时绝对时延变化≤1ns，从仿真结果来看，该滤波器带内群时延波动为1ns-0.7ns＝0.3ns，因而符合设计要求。

中频滤波器要求1000MHz带内群时延波动≤0.8ns，24小时绝对时延变化≤1ns。经仿真，该中频滤波器带内群时延波动为3.1ns-2.8ns＝0.3ns。该变频信道中有1级射频滤波器和2级中频滤波器，那么整个信道的群时延波动要优于0.3ns+0.33ns×2＝0.9ns。

通过对图3所示的电路结构的仿真结果的分析可知，增益、输出P-1dB、噪声系数等技术指标均满足对地观测卫星数据地面接收系统上行链路的设计要求。

由于本实用新型的X-Ka上变频器提供两级本振信号。其中，一级本振为10.05GHz、10.55GHz、11.05GHz三个本振点频，二级本振为7GHz、7.5GHz，其都采用锁相环方式实现。为了说明本实用新型的X-Ka上变频器的两级本振信号，图4和图5分别示出了根据本实用新型实施例的本振电路结构。其中，图4示出了根据本实用新型实施例的一级本振电路结构。

如图4采用100MHz恒温晶振为锁相环做参考时钟，以50MHz为鉴相频率，整数N分频锁相输出本振频率。锁相芯片采用HITTITE的HMC704，它的归一化噪底为-230dBc/Hz。VCO(Voltage Controlled Oscillator，电压控制震荡器)选用HMC513，它具有宽频带、低相位噪声的特点，频率可覆盖10000～11500MHz。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。根据锁相环理论，最佳环路带宽的选择是根据参考晶振和VCO的相位噪声指标来确定的。该项目最佳环路带宽选择为500kHz。

带内相位噪声可由公式PN＝PNtot+10logFpfd+20logN估算，实际应用中电路对相位噪声的恶化按5dB考虑，1MHz处于环路带宽之外，取VCO的相噪减去恶化值。经过计算，相位噪声理论值能达到：-86dBc/Hz100Hz，-102dBc/Hz1kHz，-111dBc/Hz10kHz，-113dBc/Hz100kHz，-118dBc/Hz1MHz。

图5示出了根据本实用新型实施例的二级本振电路结构，其中，图5所示的二级本振原理的分析和计算方法与上述图4所示的一级本振原理的分析和计算方法相类似，在此不再赘述。通过对图5所示的二级本振电路结构的计算，得出相位噪声理论值：-90dBc/Hz100Hz，-105dBc/Hz1kHz，-115dBc/Hz10kHz，-117dBc/Hz100kHz，-120dBc/Hz1MHz。

通过上述对一级本振和二级本振的相位噪声的计算能够得知，本实用新型提供的X-Ka上变频器的本振相位噪声指标也满足对地观测卫星数据地面接收系统上行链路的设计要求。

另外需要说明的是，本实用新型提供的X-Ka上变频器的电源接口有防接反电路和过压过流保护电路，能够很好的防止浪涌以及静电，从而有效的保证系统的可靠性、稳定性。外部供电电压为：馈电+15V/2A直接供电；内部电源：+12.3V/2A，+5.3V/2A。

需要说明的是，本实用新型提供的X-Ka频段上变频器不仅能够实现18GHz～20GHz和25GHz～27.5GHz的Ka频段射频信号，其通过将不同的X频段的输入信号与不同的本振信号进行混频，从而将X频段的信号上变频至Ka频段，进而实现Ka频段内其他射频信号输出，在此不再赘述。

下面对本实用新型提供的X-Ka频段上变频器的上变频过程进行说明。

具体地，通过控制器对一级变频单元和二级变频单元进行控制；在一级变频单元中，将输入的X频段的信号通过一级变频单元上变频后，通过一级变频单元中的分路器进行分路；其中，分路器分出的其中一路信号通过第一选控开关接入到二级变频单元，分出的另一路信号直接输出；在二级变频单元中，二级变频单元对第一选控开关接入的信号进行上变频并输出。

具体地，一级变频单元的上变频过程包括：通过第一处理模块将输入的X频段的信号进行滤波、衰减和放大后输出；通过第一混频器将第一处理模块输出的信号与Ka频段的一级本振进行混频；通过第二处理模块将第一混频器混频后的信号通过第二选控开关接入并滤波处理后，通过第三选控开关输出Ka频段1信号；通过第三处理模块将第三选控开关输出的Ka频段1信号进行放大、衰减、滤波后输入到分路器；所述控制器可接受网络配置指令对一级变频单元的一级频点和第二、三选控开关进行控制。

二级变频单元的上变频过程包括：通过第一选控开关将分路器分出的其中一路信号进行接入；通过第四处理模块将第一选控开关接入的信号进行放大后输出；通过第二混频器将第四处理模块输出的信号与Ka频段的二级本振进行混频；通过第五处理模块将第二混频器输出的信号进行滤波、放大、衰减后输出Ka频段2信号；所述控制器可接受网络配置指令对二级变频单元的二级频点和第一选控开关进行控制。。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本实用新型的X-Ka频段上变频器。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本实用新型所提出的X-Ka频段上变频器，还可以在不脱离本实用新型内容的基础上做出各种改进。因此，本实用新型的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (5)

1.一种X-Ka频段上变频器，其特征在于，包括：一级变频单元、与所述一级变频单元相连的二级变频单元以及控制所述一级变频单元和二级变频单元的控制器；其中，

所述一级变频单元用于对输入的X频段的信号进行上变频，并将上变频后的信号进行分路；其中，分出的其中一路信号为所述二级变频单元的输入信号，分出的另一路信号直接输出；

二级变频单元用于将所述一级变频单元分出的输入信号接入后进行上变频输出。

2.如权利要求1所述的X-Ka频段上变频器，其特征在于，所述一级变频单元包括依次相连的第一处理模块、第一混频器、第二处理模块、第三处理模块和分路器；其中，

所述第一处理模块通过滤波器、衰减器和放大器将输入的X频段的信号进行处理后输出；

所述第一混频器将所述第一处理模块输出的信号与Ka频段的一级本振进行混频；

所述第二处理模块将所述第一混频器混频后的信号通过第二选控开关接入并滤波处理后，通过第三选控开关输出Ka频段1信号；

所述第三处理模块通过放大器、衰减器、滤波器将所述第三选控开关输出的Ka频段1信号进行处理后输入到所述分路器；

所述控制器根据网络配置指令对所述一级本振的本振点频和第二、三选控开关进行控制；

所述分路器用于对输入的信号进行分路处理。

3.如权利要求2所述的X-Ka频段上变频器，其中，所述二级变频单元包括第一选控开关和依次与所述第一选控开关相连的第四处理模块、第二混频器、第五处理模块；其中，

所述第一选控开关选控接入所述分路器分出的其中一路信号；

所述第四处理模块通过放大器将所述第一选控开关接入的信号进行增益调整处理后输出；

所述第二混频器将所述第四处理模块输出的信号与Ka频段的二级本振进行混频；

所述第五处理模块通过滤波器、放大器、衰减器将所述第二混频器输出的信号进行处理后输出Ka频段2信号；

所述控制器根据网络配置指令对所述二级本振的本振点频和第一选控开关进行控制。

4.如权利要求3所述的X-Ka频段上变频器，其特征在于，在所述第一处理模块、所述第一混频器、所述第二处理模块、所述第一选控开关的前端分别设置有隔离器。

5.如权利要求2所述的X-Ka频段上变频器，其特征在于，

所述一级本振包括三个本振点频；

所述二级本振包括两个本振点频。