一種用于衛(wèi)星數(shù)傳平臺(tái)的多通道接收機(jī)

王繼財(cái) 朱臣偉 蔡靜

【摘 要】本文簡(jiǎn)要介紹了星用數(shù)傳平臺(tái)用多通道接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了主要功能單元電路和

重要技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)考慮。該接收機(jī)達(dá)到的指標(biāo)：接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍-125dBm～-60dBm，AGC動(dòng)態(tài)范

圍大于65dB、接收機(jī)噪聲系數(shù)小于0.8dB、全溫范圍相位偏差穩(wěn)定性小于2°/10℃、通道間幅度一致

性小于0.2dB等。

【關(guān)鍵詞】星用數(shù)傳平臺(tái) 多通道接收機(jī) AGC 大動(dòng)態(tài)接收范圍 相位差一致性 幅度一致性

1 前言

近年來(lái)，我國(guó)的宇航事業(yè)蓬勃發(fā)展，人造衛(wèi)星的需求進(jìn)入高潮期。數(shù)傳系統(tǒng)是衛(wèi)星平臺(tái)的核心部件，是星地系統(tǒng)信息傳輸?shù)闹匾溃瑧?yīng)用前景非常廣泛。數(shù)傳系統(tǒng)主要包括天線系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)、大動(dòng)態(tài)AGC接收機(jī)和信號(hào)處理機(jī)等主要功能部件。本文就多通道接收機(jī)設(shè)計(jì)的整體方案進(jìn)行簡(jiǎn)要描述，對(duì)電路中的重要功能電路開(kāi)展了詳細(xì)的闡述。

2 方案和電路設(shè)計(jì)

數(shù)傳系統(tǒng)采用了相控陣天線的方式，陣元數(shù)為9個(gè)，因此多通道接收機(jī)集成了9個(gè)功能相同的接收通道，共用跳頻本振。接收機(jī)采用超外差式二級(jí)變頻方式，將信號(hào)從L波段下變頻到中頻頻段。即射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器LNA——一次下變頻——濾波放大（含壓控衰減器）——二次下變頻——濾波放大后輸出。中頻輸出耦合部分功率，經(jīng)過(guò)檢波放大后，控制接收鏈路中的壓控衰減器實(shí)現(xiàn)AGC閉環(huán)功能。多通道接收機(jī)接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍-125dBm～-50dBm，中頻輸出電平2dBm，AGC動(dòng)態(tài)范圍65dB。接收通道鏈路凈增益實(shí)際設(shè)計(jì)值約130dB，高增益容易造成通道自激，因此設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)考慮不同單元之間的匹配和隔離措施。

接收機(jī)整體功能框圖如圖1所示。

圖1 接收機(jī)功能原理框圖

以下，就重要功能電路和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)做詳細(xì)闡述。

2.1低噪聲放大器設(shè)計(jì)

噪聲系數(shù)是接收機(jī)靈敏度的決定因素，是表征一個(gè)接收系統(tǒng)優(yōu)劣的核心指標(biāo)。接收機(jī)噪聲系數(shù)主要由射頻輸入端的低噪聲放大器決定。本方案中，低噪聲放大器采用兩級(jí)EUDYNA公司的低噪聲管FHC40LG來(lái)設(shè)計(jì)，介質(zhì)板采用ROGERS公司的RO4350B板材，采用集總參數(shù)匹配的方法，選擇合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用ADS軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)33dB增益和0.5dB的噪聲系數(shù)。CAD仿真結(jié)果如下，低噪聲放大器實(shí)物如圖2所示。制作出的低噪聲放大器在帶內(nèi)噪聲系數(shù)NF≤0.48，增益≥33dB，與仿真結(jié)果十分吻合，很好地滿足了組件整體指標(biāo)的要求。

影響接收機(jī)的噪聲系數(shù)的電路主要包括隔離器、低噪聲放大器、混頻器、濾波器和中頻放大器等部分。根據(jù)系統(tǒng)噪聲的計(jì)算公式：

后級(jí)電路的噪聲貢獻(xiàn)約為0.1dB左右，整個(gè)接收機(jī)的噪聲系數(shù)將小于0.8dB。

2.2大動(dòng)態(tài)壓控衰減器設(shè)計(jì)

多通道接收機(jī)采用AGC閉環(huán)電路，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)大動(dòng)態(tài)接收功能。本方案采用吸收式開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)思路，采用I層厚度較大的PIN二極管分立器件，設(shè)計(jì)壓控衰減器電路。二極管選用SKYWORKS公司的APD2220，電路原理圖如圖4。壓控衰減器在Vt=0～2V電壓范圍內(nèi)，衰減量達(dá)到60dB，且整個(gè)衰減動(dòng)態(tài)內(nèi)駐波系數(shù)小于1.5。

圖4 大動(dòng)態(tài)壓控衰減器設(shè)計(jì)原理圖

壓控衰減器的衰減量、駐波系數(shù)與Vt電壓之間的關(guān)系曲線如下圖5所示：

圖5 衰減量、駐波系數(shù)與Vt之間的關(guān)系曲線

2.3 AGC閉環(huán)電路設(shè)計(jì)

中頻輸出耦合部分功率，經(jīng)過(guò)檢波放大后，控制接收鏈路中的壓控衰減器實(shí)現(xiàn)AGC閉環(huán)功能。檢波器選用高靈敏度的零偏肖特基二極管，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成直流電壓，經(jīng)過(guò)RC濾波電路濾除雜波和射頻泄露后，進(jìn)入運(yùn)放進(jìn)行放大。放大后的直流電壓控制一中頻放大鏈路上的壓控衰減器，使得接收通道的輸出功率穩(wěn)定在一個(gè)固定值，達(dá)到大動(dòng)態(tài)接收范圍內(nèi)輸出信號(hào)幅度穩(wěn)定的目的。AGC閉環(huán)電路容易引入雜波、串?dāng)_等干擾信號(hào)，需要在環(huán)路上做好濾波工作。通過(guò)典型的一階有源濾波器，可以有效的濾除低頻的各種自激信號(hào)。

2.4 通道間相位一致性指標(biāo)

多通道接收機(jī)是數(shù)傳平臺(tái)相控陣天線系統(tǒng)的核心部件，通道間的幅度一致性和相位一致性是通道陣元的關(guān)鍵指標(biāo)。幅度一致性通過(guò)AGC閉環(huán)可以達(dá)到很高精度，相位一致性則需要綜合多方面的因素來(lái)考慮。除了通道間電路設(shè)計(jì)基本一致外，接收鏈路中的相位非線性器件，如濾波器和壓控衰減器需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)考慮。總體對(duì)相位一致性的要求是：全溫范圍，輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍-125dBm～-75dBm內(nèi)，相位一致性變化率小于3°/10℃。

2.4.1 濾波器方案

本方案中，射頻端鏡像抑制濾波器選用介質(zhì)濾波器方案，一中頻和二中頻濾波器選用LC濾波器方案。這兩種形式的濾波器較聲表濾波器而言，尺寸略大，但是帶內(nèi)的相位波動(dòng)小，批次相位一致性指標(biāo)優(yōu)良，是本方案的首選。另外，這兩種形式的濾波器全溫范圍內(nèi)相對(duì)相位變化量很小，試驗(yàn)證明，介質(zhì)濾波器全溫范圍內(nèi)相位差一致性平均變化率0.3°/10℃，LC濾波器全溫范圍內(nèi)相位差一致性平均變化率0.4°/10℃。

2.4.2壓控衰減器方案

附加相移是衰減器的固有特性。壓控衰減器的核心器件是PIN管，在不同的控制電壓Vt下，其等效參數(shù)、如結(jié)電容、導(dǎo)通電阻是隨之變化的，因此附加相移也是變化的。多通道接收機(jī)工作時(shí)，每個(gè)通道AGC的控制狀態(tài)不是完全相同，各通道的壓控衰減器也處在不同的衰減狀態(tài)下，附加相移的差異對(duì)通道的整體相位一致性影響非常關(guān)鍵。

接收機(jī)方案設(shè)計(jì)時(shí)，截取壓控衰減器動(dòng)態(tài)范圍中附加相位變化量較小、較平緩的一段來(lái)設(shè)計(jì)AGC閉環(huán)電路。由圖6可見(jiàn)，Vt在0.6V～2V之間，壓控衰減器最大衰減動(dòng)態(tài)達(dá)35dB，附加相移絕對(duì)值≤4°。本方案用兩級(jí)壓控衰減器實(shí)現(xiàn)AGC動(dòng)態(tài)指標(biāo)，單級(jí)壓控衰減器分配32.5dB的動(dòng)態(tài)，這樣可以保證所有衰減器附加相移的批次一致性（比如≤1°）。

圖6 附加相移與Vt之間的關(guān)系曲線

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，完成了接收機(jī)樣品的研制，經(jīng)過(guò)測(cè)試，產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種星用數(shù)傳平臺(tái)用多通道接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案和細(xì)節(jié)。接收機(jī)采用經(jīng)典的超外差式二級(jí)變頻方式，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)到中頻信號(hào)的下變頻。采用AGC閉環(huán)電路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決了動(dòng)態(tài)范圍大，接收靈敏度高、多通道相位一致性等技術(shù)問(wèn)題。目前，該產(chǎn)品已成功應(yīng)用與某衛(wèi)星平臺(tái)系統(tǒng)中，可以作為同類(lèi)型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參考。

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作者簡(jiǎn)介：

王繼財(cái)：（1981—），男，青海樂(lè)都人，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所工程師，從事微波電路設(shè)計(jì)與研究。朱臣偉：（1979—），男，天津人，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所工程師，從事微波電路設(shè)計(jì)與研究。蔡靜：（1977—），女，江蘇無(wú)錫人，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所工程師，從事微波電路設(shè)計(jì)與研究。