1、引言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著信息全面化及全球巨大的個(gè)人多媒體通信流量與無縫隙覆蓋需求，衛(wèi)星通信已成為當(dāng)今世界上最重要的通信手段之一，它發(fā)揮著愈來愈重要的作用。隨著低端頻率的頻譜資源及GEO衛(wèi)星軌道資源的緊缺與擁塞，已不能滿足高速、寬帶等諸多應(yīng)用的需求。由于Ka頻段以上的衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有可用帶寬寬，干擾少，設(shè)備體積小的特點(diǎn)，在衛(wèi)星通信及各種形式的衛(wèi)星地面站中的應(yīng)用也日益廣泛。目前在國內(nèi)地面接力通信系統(tǒng)中，Ka頻段收發(fā)射設(shè)備的技術(shù)已比較成熟。但衛(wèi)星通信地面站的收發(fā)設(shè)備的研制技術(shù)還有一定差距，因此Ka頻段衛(wèi)星通信地面站射頻單元關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備的研制刻不容緩。

2、地面站接收單元組成與工作原理

在開展Ka頻段地面站射頻單元關(guān)鍵技術(shù)的研究中，根據(jù)需求為固定站和移動(dòng)站提供體積小、重量輕、成本低、高可靠性的室外單元是發(fā)展方向。地面站射頻單元由發(fā)射單元和接收單元組成。本文介紹的地面站接收單元是與Ka頻段射頻發(fā)射單元配套的下行信道部分，圖1是接收單元信道組成方框圖，來自Ka頻段地面站天線雙工器接收輸出端的20.3 GHz～20.8 GHz的射頻信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大器(LNA)放大，然后接入通帶為20.3~20.8 GHz的帶同濾波器，此帶通濾波器對(duì)鏡頻和其它帶外雜波有較強(qiáng)的抑制特性。然后與Ka波段接收鎖相本振源輸出的19.35 GHz的本振信號(hào)進(jìn)行單平衡混頻，其差頻信號(hào)即為950 MHz~1 450 MHz的L頻段中頻信號(hào)，經(jīng)通帶為950 MHz~1 450 MHz 的帶通濾波器，濾除各種組合干擾頻率信號(hào)，再經(jīng)過L波段中頻放大器放大后輸出給室內(nèi)單元(IDU)。

圖1 Ka頻段衛(wèi)星通信地面站接收信道框圖

根據(jù)Ka頻段接收單元的設(shè)計(jì)方案已知系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)為：

1)輸入頻率范圍： 20.3 GHz～20.8 GHz

2)輸出頻率范圍： 950 MHz～1 450 MHz

3)LNA噪聲系數(shù)： ≤2.5 dB

4)鏡頻抑制： ≥60 dB

5)雜散輸出： £-50 dBc(500 MHz帶內(nèi)) £-60 dBc(500 MHz帶外)

3、接收單元設(shè)計(jì)思想

隨著半導(dǎo)體及集成技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)備的集成化程度越來越高。在Ka頻段已有滿足要求的低噪聲放大器、混頻器等集成模塊，可以直接應(yīng)用到系統(tǒng)中。所以在Ka頻段接收單元在設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)小型化、模塊化、和通用化的設(shè)計(jì)思路貫穿始終。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵部件均選用相應(yīng)的單片集成(MMIC)模塊，因此使得系統(tǒng)的研制即節(jié)省了時(shí)間又保證了設(shè)備的可維修性，同時(shí)提高了可靠性。接收單元中關(guān)鍵部件就是低噪聲放大器，它要具有低噪聲系數(shù)、高增益、大動(dòng)態(tài)范圍的特點(diǎn)。綜合考慮選用了Triqunt司的低噪聲集成放大器TGA1319A-EPU;其次單邊帶下變頻混頻器采用Hittite公司的單片集成平衡混頻模塊HMC260;中頻放大器也采用了相應(yīng)的集成模塊。為了能使混頻器產(chǎn)生的鏡頻和其它帶外雜散得到很好的抑制，輸入帶通濾波器采用了帶外抑制很強(qiáng)的E面波導(dǎo)金屬膜片帶通濾波器。Ka頻段接收單元的電路組成結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 接收信道電路圖

4、接收單元仿真設(shè)計(jì)及指標(biāo)分析

4.1 接收單元拓?fù)潆娐?/p>

在設(shè)備進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的設(shè)計(jì)與研制之前應(yīng)用EDA軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，參照接收單元的主要技術(shù)指標(biāo)要求及選用的各個(gè)器件。應(yīng)用ADS微波設(shè)計(jì)軟件對(duì)接收單元的信道部分進(jìn)行了系統(tǒng)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。接收單元的仿真拓?fù)潆娐芬妶D3，根據(jù)拓?fù)潆娐愤x擇相應(yīng)的Simulation Controller對(duì)接收信道的主要指標(biāo)分別進(jìn)行仿真優(yōu)化，并得出仿真結(jié)果。

圖3 接收信道仿真拓?fù)潆娐?/p>

4.2 噪聲系數(shù)仿真

噪聲系數(shù)是接收系統(tǒng)輸入端信噪比在輸入端與中頻放大器某點(diǎn)之間惡化情況的總量度，它也是衡量接收單元設(shè)計(jì)優(yōu)劣的質(zhì)量因數(shù)。優(yōu)質(zhì)接收單元的設(shè)計(jì)就要盡可能在其輸出端獲得最佳信噪比。它直接影響接收系統(tǒng)的通信質(zhì)量，接收單元是由放大器、混頻器、濾波器和中頻放大器等多個(gè)部件組成，對(duì)于級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)其噪聲系數(shù)計(jì)算公式為

可見接收單元的噪聲系數(shù)主要取決于前置低噪聲放大器的噪聲系數(shù)，因?yàn)榧煞糯笃鰽PM1、APM2(見圖2)有約四十幾分貝的增益，所以系統(tǒng)中其他部件的噪聲影響可忽略不計(jì)，對(duì)接收單元的噪聲系數(shù)進(jìn)行了仿真，又圖4的仿真曲線中得到在工作頻帶內(nèi)噪聲系數(shù)≤2.16 dB，滿足系統(tǒng)要求。

圖4 噪聲系數(shù)曲線

4.3 鏡頻抑制和雜散輸出仿真

接收單元的輸入信號(hào)經(jīng)各級(jí)放大器放大后進(jìn)入混頻模塊，經(jīng)混頻會(huì)產(chǎn)生若干寄生頻率，但最值得注意的有兩個(gè)頻率 ，一個(gè)是和頻 ω+=ωL+ωs ; 另一個(gè) 就 是鏡頻ωk=2ωL-ωs 。這個(gè)頻率相對(duì)于本振來說和信號(hào)處于鏡像的位置， 但比較而言鏡頻距離信號(hào)頻率最近，因此很容易落在信號(hào)頻帶之內(nèi)，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響。

在微波接收系統(tǒng)中，鏡頻抑制是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)問題，良好的鏡頻抑制能夠避免噪聲惡化，同時(shí)也能降低外界鏡頻干擾。實(shí)現(xiàn)單邊帶接收的常用方法是在混頻器信號(hào)輸入端接入一帶通濾波器，以抑制鏡像輸入信號(hào)。采用帶外抑制很強(qiáng)的波導(dǎo)型E面金屬膜片帶通濾波器，能有效地抑制鏡頻和外界雜波的干擾。仿真優(yōu)化得出接收單元的鏡頻抑制≥70 dB，雜散輸出<-68 dB，仿真結(jié)果分別見圖5、圖6。

圖5 鏡頻抑制曲線

圖6 雜散輸出曲線

5、結(jié)束語

通過仿真設(shè)計(jì)，可以看出在該接收單元設(shè)計(jì)中選用的各部件的技術(shù)指標(biāo)與接收信道的要求是相匹配的。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)能滿足系統(tǒng)要求，在設(shè)備的研制過程中也驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可行性。因此通過應(yīng)用EDA軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，可以判斷通信系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的合理性與優(yōu)劣，使通信系統(tǒng)發(fā)揮最大效益，同時(shí)使得一些本來無法進(jìn)行試驗(yàn)的過程在仿真中獲得驗(yàn)證。為成功研制設(shè)備提供了重要依據(jù)，從而有效地避免了在設(shè)備研制過程中走彎路、耗時(shí)間。在Ka頻段地面站接收信道中合理選用了多種放大和變頻集成器件，實(shí)現(xiàn)了信道的模塊化、小型化、通用化。對(duì)于不同要求的地面站，適當(dāng)調(diào)換相應(yīng)的器件，就可以滿足其要求。