小衛(wèi)星通信系統(tǒng)射頻前端設(shè)計

摘要：闡述了小衛(wèi)星的發(fā)展背景、工作模式及技術(shù)上的優(yōu)點，介紹了小衛(wèi)星采用的射頻前端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為了系統(tǒng)的合理設(shè)計，以滿足星問通信的要求，對系統(tǒng)中低噪放電路、鎖相環(huán)電路、自動增益控制電路的工作原理和重要指標(biāo)進行了分析。采用ADS，ADIsimPLL軟件仿真，得出適合要求的電路結(jié)構(gòu)。最終制作出系統(tǒng)電路板并調(diào)試實現(xiàn)預(yù)期指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：小衛(wèi)星；射頻前端；低噪放；鎖相環(huán)；自動增益控制

0 引言
    在20世紀(jì)90年代小衛(wèi)星概念提出以前，應(yīng)用衛(wèi)星技術(shù)主要靠單顆衛(wèi)星來發(fā)揮作用，多種科研任務(wù)集中在一顆衛(wèi)星上，甚至有些任務(wù)是相互沖突的，這不僅延長了研制周期，也增大了系統(tǒng)的風(fēng)險。而利用小衛(wèi)星編隊組網(wǎng)運行，可以實現(xiàn)單顆衛(wèi)星難以實現(xiàn)的功能，并且方便添加新的系統(tǒng)和技術(shù)，從而使那些需要較長研制周期的儀器可隨時添加到虛擬衛(wèi)星中去，另外小衛(wèi)星具有單星測控能力，使系統(tǒng)測控可靠性進一步加強。在技術(shù)上，小衛(wèi)星有功能模塊集成化、功耗低、體積小和重量輕等優(yōu)點。小衛(wèi)星的這些優(yōu)點吸引了各航天大國對其開展研究，我國也投入了大量人力物力開展了衛(wèi)星編隊的研制。本文針對某項目的具體要求，設(shè)計了適合小衛(wèi)星通信系統(tǒng)的射頻前端，仿真分析了其關(guān)鍵電路，并通過實物驗證了方案設(shè)計的可行性，實驗結(jié)果表明設(shè)計合理，實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    超外差結(jié)構(gòu)是射頻前端應(yīng)用中最多的一種結(jié)構(gòu)，其發(fā)射和接收方案都比較成熟。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    在接收電路中將從天線接收來的微弱信號放大，經(jīng)過下變頻得到中頻信號，為了放大器的穩(wěn)定和避免自激，在一個頻帶內(nèi)的放大器其增益一般不超過50～60 dB，通過選擇合適的中頻頻點和濾波器，可以實現(xiàn)很好的選擇性和靈敏度。發(fā)射電路中將中頻信號上變頻得到射頻信號，經(jīng)過濾波和功率放大輸出給天線發(fā)射出去。
    系統(tǒng)中發(fā)射電路和接收電路均采用二次變頻。飛行過程中小衛(wèi)星與主星之間距離的變化會引起接收電路輸入端信號的功率變化，變化范圍可達幾十分貝，在接收電路中設(shè)置自動增益控制電路，使接收信號功率在一定范圍內(nèi)變化時輸出信號功率變化很小。系統(tǒng)中重要組成部分有低噪放電路、鎖相環(huán)電路、自動增益控制電路等。
    系統(tǒng)中接收電路的主要指標(biāo)如下：
    (1)接收信號為2．3 GHz，功率為-120 dBm；輸出信號為30 MHz，功率大于等于0 dBm。
    (2)噪聲系數(shù)小于等于2，輸出信號功率信噪比大于等于13 dB。
    (3)接收信號在-120～-90 dBm變化時，輸出信號變化小于6 dBm。
    (4)相位噪聲小于-80 dBc／Hz／10 kHz。

2 系統(tǒng)組成部分
2．1 低噪放電路
    低噪聲放大器在接收電路中處于前端，接收來自天線的微弱信號，其性能的好壞直接影響著整機的性能，尤其是接收靈敏度和整機噪聲的好壞。低噪聲放大器的主要指標(biāo)有噪聲系數(shù)、功率增益、動態(tài)范圍、穩(wěn)定性。
    噪聲系數(shù)定義為線性二端口網(wǎng)絡(luò)中：

    式中：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3分別為前三級放大器的噪聲系數(shù)；G1，G2，G3分別為前三級放大器的增益。
    由式(2)可知放大器級聯(lián)時噪聲系數(shù)主要由第一級決定，因此要求第一級放大器的噪聲系數(shù)越小越好。為了抑制后級電路對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響，第一級放大器需要有較高的增益。
    該項目中采用的方案是三級低噪聲放大器級聯(lián)。第一級選用HMC618LP3，在25℃環(huán)境中2．3 GHz處增益為15 dB，噪聲系數(shù)為1．05。第二級選用HMC548LP3，在25℃環(huán)境中2．3 GHz處增益為25 dB，噪聲系數(shù)為1．5。第三級選用變增益放大器HMC287MS8，在25℃環(huán)境中Vctl=0時，2．3 GHz處增益為23 dB，Vctl=3 V時，增益為-11 dB。將放大器的S2P文件導(dǎo)入ADS軟件中仿真，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，最高增益為52．196 dB，最低增益為18．658 dB。三級放大器增益都很高，如果各級間匹配不好，很可能會導(dǎo)致放大器自激振蕩，要從源頭解決這個問題，只有修改各級的匹配網(wǎng)絡(luò)，這往往難度很大，最有效的辦法是在級間增加π型衰減網(wǎng)絡(luò)。π型衰減網(wǎng)絡(luò)可以有效抑制信號在放大器級間的反射，nf(2)是π型網(wǎng)絡(luò)引入的噪聲，在實際電路中可以更換π型網(wǎng)絡(luò)電阻調(diào)節(jié)衰減量和噪聲系數(shù)。

2．2 鎖相環(huán)電路
    鎖相環(huán)是由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)及壓控振蕩器(VCO)所構(gòu)成的反饋電路，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    鑒相器比較參考信號u1(t)和壓控振蕩器輸出信號u2(t)的相位，并輸出相位誤差電壓ud(t)，經(jīng)過環(huán)路濾波器濾除相位誤差信號中的高頻信號及部分噪聲，剩下直流電壓uc(t)，再將此直流電壓送到壓控振蕩器來控制輸出信號頻率。當(dāng)壓控振蕩器的輸出信號頻率與參考信號的頻率不同時，這個過程將持續(xù)進行，在達到頻率相等時，且滿足一定條件環(huán)路就穩(wěn)定下來，實現(xiàn)鎖定。鎖定之后被控的壓控振蕩器頻率與輸入信號頻率相同，兩者之間維持一定的穩(wěn)態(tài)相位差。
    鎖定時間和相位噪聲是鎖相環(huán)的重要指標(biāo)。最佳鎖定時間需要45°～48°的相位裕度，經(jīng)驗公式如下：
   
    式中：fjump=|f1-f2|為頻率跳變量；f為初始頻率；f2為終止頻率；ftol為頻率鎖定誤差容限；BW為環(huán)路帶寬；LT為鎖定時間。
    可見環(huán)路帶寬越大，鎖定時間越短，頻率跳變越小，鎖定時間越短。可以通過適當(dāng)增大環(huán)路帶寬和增大鑒相頻率的方法縮短環(huán)路鎖定時間。
    鎖相環(huán)電路的噪聲來源于參考信號噪聲、電荷泵噪聲、反饋分頻噪聲和壓控振蕩器噪聲四部分。環(huán)路濾波器對環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性作用，關(guān)于環(huán)路濾波器的階數(shù)，最基本的環(huán)路濾波器是兩階，如果想進一步降低參考雜散的幅度，可以在二階環(huán)路濾波器之后再加一個RC低通網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成三階無源環(huán)路濾波器。該項目中選用的頻率合成器是ADF4360-1，用ADIsimPLL軟件設(shè)計三階無源濾波器，并對輸出信號進行仿真，射頻本振信號鎖定時間和相位噪聲如圖4所示，鎖定時間為22μs，2．27GHz處相位噪聲為-88 dBc／Hz／10kHz。

2．3 自動增益控制電路
    自動增益控制電路主要由變增益放大器和檢測控制電路兩部分組成。傳統(tǒng)的檢測控制電路有兩種實現(xiàn)方法，一是采用模擬方法檢測信號的峰值，對峰值信號進行低通濾波、放大以后控制VGA的增益，這種模擬檢測、模擬控制的方法實現(xiàn)起來比較簡單。二是采用數(shù)字方法檢測信號的峰值，對檢測到的峰值進行一定的處理后產(chǎn)生數(shù)字控制量調(diào)整VGA的增益，這種方法需要A／D轉(zhuǎn)換器。限于小衛(wèi)星上提供電壓和功率很低，空間很小，所以采用第一種方法。
    自動增益控制電路中一般將變增益放大器設(shè)置在中頻段，該項目中考慮到系統(tǒng)的功耗，選用低功耗的變增益放大器HMC287MS8，將變增益放大器設(shè)置在射頻段，結(jié)合檢波器、運算放大器和濾波器實現(xiàn)自動增益控制，原理圖如圖5所示。

    檢波器對檢測信號的功率有下限要求，輸入信號功率超過下限時檢波器輸出電壓才能變化，因此信號檢測點選擇要合宜。該項目中選用的檢波器是AD8361，AD8361對30 MHz信號檢波，實際測試輸出電壓隨輸入信號功率變化如表1所示。結(jié)合變增益放大器的增益變化曲線，調(diào)整運算放大器的參考電壓和運算方程可實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)增益的穩(wěn)定控制。

3 實驗驗證
    經(jīng)過設(shè)計制成小衛(wèi)星射頻前端電路板如圖6所示，利用信號源86320B和頻譜儀8563E進行測試，系統(tǒng)接收信號2．3 GHz，功率從-120 dBm起，輸出中頻信號功率信噪比不低于15 dB。接收信號在30 dBm范圍內(nèi)變化時，輸出中頻信號變化小于6 dBm，如表2所示。經(jīng)過計算得出相位噪聲為-82 dBc／Hz／10 kHz。

4 結(jié)語
    本文對射頻前端中幾個重要組成部分進行了分析和仿真，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種適合于編隊飛行的小衛(wèi)星通信系統(tǒng)射頻前端結(jié)構(gòu)。實驗測試驗證了該系統(tǒng)的合理性，該系統(tǒng)的功耗低、接收靈敏度高、體積小、重量輕，幾項關(guān)鍵的預(yù)期指標(biāo)已達到?；仡櫹到y(tǒng)的設(shè)計和測試，其中有些指標(biāo)和措施仍需要改進，如AGC的穩(wěn)定范圍不是很大，需要結(jié)合發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)控衰減器調(diào)節(jié)才能實現(xiàn)輸出信號完全穩(wěn)定，這需要綜合更多的因素對系統(tǒng)整體方案進行更深地研究和改進。