衛星通信多路寬帶信號收發和饋鐘模塊設計

摘要：為了適應寬帶衛星信號的多路收發通信和LNB、BUC對外部參考時鐘的饋鐘需求，考慮到外部參考時鐘為10 MHz的時鐘信號，需要與工作在L、S波段中頻信號合路在同一接口，我們設計了衛星通信多路寬帶信號收發和饋鐘模塊。仿真和測試結果表明，該衛星通信多路寬帶信號收發和饋鐘模塊在工作頻段內具有良好的輸出特性。

關鍵詞：衛星通信；饋鐘；濾波器；仿真

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.11.001

中圖分類號：TN 871；TN 927.23" " " " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）11-000-04

Design of Multi-channel Broadband Signal Transceiver and Clock Feedback Module for Satellite Communication

ZHU Peitao， LUO Wenbin， LI Chong， ZHONG Jian， DONG Run

（Sichuan Netop Telecom Co.，Ltd.， Mianyang 621000， China）

Abstract： In order to adapt to the multi-channel transmission and reception communication of broadband satellite signals and the clock feeding requirements of LNB and BUC for external reference clocks， considering that the clock signal with an external reference clock of 10 MHz needs to be combined with the intermediate frequency signal working in the L and S bands on the same interface， a satellite communication multi-channel broadband signal transmission and feedback module was designed. Simulation and test results showed that the satellite communication multi-channel broadband signal transceiver and feedback clock module has good output characteristics in the operating frequency band.

Keywords： satellite communication; feedback clock; filter; simulation

0" "引言

衛星通信系統主要使用L、S頻段[1]，衛星調制解調器負責衛星與地面站點間信號的調制與解調，在衛星通信領域起重要作用。調制解調器為低噪聲頻段轉換器塊（LNB，Low Noise Block Converter）和頻段上轉換器塊（BUC，Block Up Converter）提供L、S波段接口[2]。LNB和BUC均包含變頻器，變頻器使用鎖相環（PLL）進行頻率鎖定，時鐘參考信號在衛星通信上下變頻器中起著至關重要的作用，時鐘信號保證上下變頻輸出頻率的穩定和準確。考慮到LNB和BUC只提供單端口連接，因此時鐘參考信號與L、S波段信號共用一個接口。

在接收衛星通信的多路信號時，一個LNB要與多路衛星調制解調器或信標機等相連，需要將LNB輸出的L、S波段信號進行分路，同時要將外部參考時鐘信號輸出至LNB。同樣在發射衛星通信的多路信號時，多路衛星調制解調器也可以將輸出的L、S波段信號進行合路，共用一個BUC，也需要提供外部參考時鐘信號輸出至BUC[3]。通過擴展射頻通道和時鐘信號通道減少了LNB和BUC的數量，實現了降低成本和簡化系統結構的目標。

市場上現有參考時鐘信號源多為單一信號源，有且僅有一路輸出[4]，且在實際使用過程中分路輸入上下變頻器或多個設備時，上下變頻器不能正常工作，導致在需要多路同源參考信號進行測試時不能達到測試要求，同時市場專用信號源價格昂貴。

本文設計了一種衛星通信多路寬帶信號收發和饋鐘模塊，應用于衛星通信。根據相關理論對模塊進行設計、仿真和優化，基于仿真結果完成實物制作，對制作的產品進行了測試，測試結果滿足使用要求。

1" "組成原理

衛星通信多路寬帶信號收發和饋鐘模塊安裝在衛星調制解調器之后，LNB和BUC之前。衛星通信多路寬帶信號收發和饋鐘模塊的作用一方面是將外部參考饋鐘信號送入LNB端口，同時將LNB輸出的L、S波段信號分路后送至多個衛星調制解調器的接收端；另一方面時將外部參考饋鐘信號、衛星調制解調器的發送的L、S波段信號在BUC端口進行合路。

根據衛星通信的要求，制定了以下性能參數。

⊙ L、S波段的工作頻率：950～2 150 MHz。

⊙ 為LNB和BUC提供10 MHz饋鐘參考信號，輸出功率為-3～+3 dBm。

⊙ L、S波段發射通道插損：≤2 dB。

⊙ L、S波段接收通道插損：≤5 dB。

⊙ 輸入輸出阻抗：50 Ω。

根據性能參數的要求，設計模塊的內部基本結構主要包括L、S波段接收分路器、外部參考時鐘信號放大電路、高通和低通濾波器等組成，其中發射和接收通道高通和低通濾波器采用同一設計，如圖1所示。

外部參考時鐘信號的饋鐘單元由運放放大電路、低通濾波電路等組成。工作過程中，時鐘源輸出參考信號經放大電路放大后，再經過低通濾波電路輸出到LNB和BUC接口上。LNB輸出至衛星調制解調器的通道為接收通道，接收信號經過高通濾波器、接收信道放大電路、L、S波段接收分路器后等分為2路，分別送入衛星調制解調器。衛星調制解調器輸出至BUC的通道為發射通道，衛星調制解調器輸出的發射信號經高通濾波器后，輸出至BUC。

低通濾波器用于饋鐘信號的傳輸，同時將L、S波段信號濾除；高通濾波器的作用相反，可用于L、S波段信號的傳輸，將饋鐘信號進行濾除。低通和高通濾波器一起實現外部時鐘源和衛星調制解調器同時工作，互不影響。

2" "模塊組成部分設計與仿真

2.1 L、S波段接收分路器設計

分路器將功率按照一定比例分成相等或不相等多路的微波器件，常用的是Wilkinson分路器，該結構簡單，有隔離電阻，可實現各端口間的匹配以及輸出端口間的隔離。考慮到空間的要求，設計采用Wilkinson結構的微帶線等功率（3 dB）分路器[5]。根據理論，其輸入和輸出線特性阻抗都是Z0（50 Ω），輸入和輸出口間的分支線特性阻抗為Z1，線長為。且滿足式（1），Z1的特性阻抗則為70.7 Ω。

（1）

Keysight ADS軟件是目前微波電路設計的常用EDA軟件，支持參數化建模，能按照設定的參數仿真出需要的電路，進行參數優化，尋找最佳的設計參數。設計中采用板材為FR4，相對介電常數為4.4，板厚0.6" mm，銅厚1 oz。根據選取的板材可對微帶線的寬度進行計算。

確定分路器的結構尺寸后進行版圖布局和仿真優化，最后進行聯合仿真。仿真結果在整個工作頻帶內的插損接近3 dB，分路器性能較好。根據仿真設置的結構參數，ADS軟件可以提取出版圖進行印制板加工，考慮印制板板材性能、印制板廠的工藝制程能力或其他原因帶來的不準確性，仿真結果和實物會存在偏差。

2.2 外部參考時鐘信號放大設計

外部參考時鐘信號的饋鐘電路由運放放大電路等組成，工作過程中，時鐘源輸出的參考信號經放大電路放大后再經過濾波電路輸出到接口上。

為了提高饋鐘電路的驅動能力，加入了運算放大器。運算放大器在外部參考時鐘源和時鐘輸出電路間起到了緩沖隔離作用。避免時鐘源工作過載和時鐘信號反射。運算放大器采用OPA690，具有較低的輸出電壓噪聲和電流噪聲。最大輸出功率可達17 dBm，滿足LNB和BUC的參考時鐘輸入功率要求。

2.3 濾波器設計

濾波器選擇最大平坦濾波器，該濾波器對元件的變化不是很敏感。濾波器的設計應根據需求，確定通帶和阻帶的頻率范圍。確定濾波器階數，階數越高，濾波器的陡峭度越高，設計和調試越復雜。

利用ADS軟件自帶的濾波器向導進行快速設計，根據指標要求，輸入濾波器類型、階數、中心頻率、通帶頻率、阻帶頻率等，即可完成最初的設計。設計中考慮結構要求，采用集總元器件設計，對設計進行優化直至完成設計。

濾波器設計采用7階低通濾波器和7階高通濾波器。采用Murata的LC元器件模型進行仿真，不同的元器件模型，會影響仿真的精確度。仿真結果如圖2所示，S（3，1）為低通濾波器的仿真結果，S（2，1）為高通濾波器的仿真結果。測試結果表明，低通濾波器和高通濾波器帶外有明顯的阻帶，可以保證中頻信號和時鐘信號的良好隔離，且濾波器帶內的傳輸性能良好。

2.4 L、S波段接收信號的放大設計

經過接收高通濾波后的L、S波段的接收信號，信號功率會有一定的損失，同時考慮后面還需要接分路器進行等分，如果接收的衛星信號較弱，可考慮在濾波器和分路器之間加接收信號放大電路。在電路上預留英訊諾的放大芯片YG602020，該芯片內部包含匹配設計，外圍電路設計簡單。可提供18 dB的增益，最大輸出功率為20 dBm。

3" "測試結果與分析

基于各組成部分的設計和優化結果進行模塊的系統集成，考慮版圖尺寸、信號傳輸完整性、各組成部分隔離、外部接口等問題，進行模塊實物加工。考慮到測試場合的衛星接收信號強度，實物中沒加L、S波段接收信道放大電路。在模塊內部進行了分腔設計，減少互相干擾。分為4個腔，分別放置接收通道、發射通道、電源和控制電路及參考時鐘放大電路。中頻信號收發和饋鐘的外部接口采用SMA接口，所用連接器為SMA介質穿墻式連接器。

使用Agilent E5071C矢量網絡分析儀對模塊的性能測試。圖3（a）為L、S波段發射通道插損測試結果，其中對饋鐘信號有較大的隔離抑制；在工作范圍內，2.15 GHz插損超過2 dB，其他頻點比仿真結果稍大，滿足指標要求。

圖3（b）為接收通道測試結果，測試的接收通道包括濾波器和分路器等。L、S波段的插損測試，同樣對饋鐘信號有較大的隔離抑制，工作在1.9 GHz及以上頻率范圍的結果稍差，其他頻率范圍滿足指標要求。將圖2各頻點仿真結果和接收分路器損耗累加與實測結果對比，實測結果在中頻頻率的前端小于仿真值，在中頻頻率的后端大于仿真值。S參數的仿真結果和實測值之間偏差原因是印制板微帶線加工精度的限制、FR4板材介電常數較高增加了介質中的損耗、實際使用元器件與仿真中元器件模型的差異、兼容的L、S波段接收信道放大電路的插損、選用的SMA介質穿墻式連接器造成的功率損耗、測量誤差等。

通過安捷倫頻譜儀對饋鐘信號進行的頻譜性能測試，輸出功率約為0.8 dBm，滿足指標要求。經工程實測，多路寬帶信號收發和饋鐘模塊實現了饋鐘信號和衛星用中頻信號的共存，LNB和BUC模塊實現了快速本振鎖定，衛星調制解調器工作正常，達到了設計效果。

4" "結束語

本文介紹了一種衛星通信多路寬帶信號收發和饋鐘模塊設計。用電路仿真軟件ADS對分路器和濾波器進行了仿真優化。實測L、S波段的發射和接收通道的插損與仿真結果有差異，文中對差異進行了分析。饋鐘信號輸出功率滿足指標要求，實測滿足LNB和BUC鎖相要求。模塊與衛星調制解調器、LNB和BUC連接測試，可滿足其在衛星通信上工程應用。通過此方式，可進行更多路的擴展，在通信領域具有很好的應用前景。

參考文獻

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[3] 王鑫，秦艷召，張洋，等．一種衛星移動通信終端一線通射頻接口設計[J]．數字通信世界，2023（06）：38-40．

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[5] 王厚剛．衛星通信用寬帶多路分路器的設計與實現[J]．中國新通信，2020，22（6）：7-8．