衛(wèi)星電視高頻頭工作原理
標(biāo)簽:變頻器 自振混頻
1 衛(wèi)星電視下變頻器(高頻頭)的作用
衛(wèi)星電視低噪聲下變頻器又稱為高頻頭(也稱衛(wèi)星電視的室外單元),它是由微波低噪聲放大器,微波混頻器,第一本振和第一中頻前置放大器組成,其框圖如圖1所示。
圖1 高頻頭的原理框圖
一般的衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)主要包括:(1)天線;(2)饋源;(3)低噪聲下變頻器,也稱為高頻頭(是由低噪聲放大器與下變頻器集成的組件),用LNB表示;(4)電纜線;(5)端子接頭;(6)衛(wèi)星接收機(jī);(7)電視接收機(jī)。
衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2 衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)框圖
由于衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中的地面天線接收到的衛(wèi)星下行微波信號(hào)經(jīng)過約40 000 km左右的遠(yuǎn)距離傳輸已是非常微弱,通常天線饋源輸出載波功率約為-90dBmW[注]。若饋線損耗為0.5 dB,則低噪聲放大器輸入端載波功率為-90.5 dBmW。第一變頻器和帶通濾波器的損耗約為10 dB,第一中放的增益約為30 dB。這樣,若低噪聲放大器給出增益(40~50) dB,則下變頻器輸出端可以輸出(-30~-20) dBmW的信號(hào)。因此,衛(wèi)星電視下變頻器的作用是在保證原信號(hào)質(zhì)量參數(shù)的條件下,將接收到的衛(wèi)星下行頻率的信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大并變頻。
2 衛(wèi)星電視下變頻器的結(jié)構(gòu)
衛(wèi)星電視下變頻器中的低噪聲放大器一般是將波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器與低噪聲放大器合成一個(gè)部件。如果要達(dá)到噪聲溫度低和增益高,通常包含3~4級(jí)放大,前兩級(jí)為低噪聲放大器,主要采用高電子遷移率晶體管HEMT器件,后兩級(jí)為高增益放大器,主要采用砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管GaAsFET。典型的LNA的噪聲溫度在C 波段約為(20~40)°K。增益約為(40~50) dB,輸出輸入電壓駐波比(VSMR)小于1.5。圖3給出了低噪聲放大器(LNA)的電原理圖,設(shè)計(jì)時(shí)通常先給出必要的參數(shù),如S參數(shù)、電路級(jí)數(shù)、匹配電路的方式、噪聲參數(shù)、輸出輸入阻抗等等,然后利用計(jì)算機(jī)CAD軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并作出微帶線電路圖。
圖3 低噪聲放大器的電原理圖
第一變頻器和帶通濾波器是由第一本振、第一混頻器及帶通濾波器組成的,其作用是將低噪聲放大器輸出的下行微波信號(hào)變?yōu)橹蓄l信號(hào),變頻前后信號(hào)的帶寬保持不變。
第一本振通常以介質(zhì)諧振器振蕩器作為諧振回路,采用耦合微帶線耦合能量,使用CaAs-FET作為基本放大電路來實(shí)現(xiàn)振蕩器。介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)很高,通常在35~40之間,諧振時(shí),由于介電常數(shù)高,電磁場(chǎng)大部分集中在介質(zhì)內(nèi)部,與金屬諧振腔類似。介質(zhì)諧振腔的優(yōu)點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性好,品質(zhì)因數(shù)Q值高,體積小,價(jià)格低,容易和微帶線耦合而制成MMIC。
圖4給出2種實(shí)際的介質(zhì)諧振器振蕩器電原理圖。
圖4 介質(zhì)振蕩器電原理圖
實(shí)際的介質(zhì)諧振器振蕩器中不僅需要考慮介質(zhì)諧振器的參數(shù)、位置及微帶線的參數(shù),還要考慮場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出輸入的阻抗匹配的問題和直流偏置電路的設(shè)置。
第一混頻器由非線性元件、輸入信號(hào)與本振信號(hào)混合網(wǎng)絡(luò)及一些附加電路組成,如圖5所示。
圖5 第一混頻器框圖
輸入信號(hào)與本振信號(hào)混合后疊加在非線性元件上,非線性元件通常采用晶體二極管和三極管,使其工作在伏安特性曲線的非線性區(qū)。由其非線性作用使輸出端產(chǎn)生出和頻、差頻、倍頻等一系列信號(hào),可用濾波器選取所需的差頻信號(hào),應(yīng)能達(dá)到混頻的目的。實(shí)際電路中,常采用二極管阻抗混頻器,它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于集成化,工作穩(wěn)定,噪聲系數(shù)低,工作頻帶寬,動(dòng)態(tài)范圍大。雖然,這種混頻器沒有變頻增益,只有變頻損耗,但這種損耗容易加放大器予以補(bǔ)償。實(shí)際應(yīng)用中,還要考慮輸入信號(hào)與本振信號(hào)的隔離及對(duì)寄生頻率的抑制等,通常采用雙平衡混頻器,它主要由二極管橋和平衡、不平衡變換器組成,電原理圖如圖6(圖中巴侖 (balun)為平衡、不平衡線路變壓器)所示。
圖6 雙平衡混頻器電原理圖
四個(gè)特性相同的混頻二極管按同一極性順序連接成環(huán)形橋路,輸入和本振信號(hào)通過變壓器耦合,將不平衡的輸入變換為平衡輸出加到二極管橋的兩對(duì)角線上,從而總的中頻電流等于四個(gè)二極管所產(chǎn)生的中頻電流的總和。
雙平衡混頻器具有主要特點(diǎn)如下:
(1)輸入信號(hào)與本振信號(hào)之間有高隔離度;
(2)工作頻帶寬;
(3)動(dòng)態(tài)范圍大,抗過載能力強(qiáng);
(4)對(duì)寄生頻率有很好的抑制能力;
(5)能抑制本振引入的噪聲。
第一中放也稱前置中放,通常是直接和混頻器相接的,它的作用是把混頻器輸出的微弱中頻進(jìn)行放大、以補(bǔ)償混頻器、帶通濾波器以及室外、室內(nèi)單元間連接的高頻電纜所引起的衰減。第一中放通常直接采用集成電路塊。
由于二次變頻式的衛(wèi)星接收系統(tǒng)第一中頻通常選擇在1 GHz左右,這個(gè)頻率處于微波放大器和高頻放大器的交界處,因而電路結(jié)構(gòu)方式可以用分布參數(shù)、集中參數(shù)或二者的混合形式三種。
集中參數(shù)電路與一般高頻放大器基本相同,電路元件用集中參數(shù)的電阻、電容和電感,參見圖7。
圖7 集中參數(shù)電路
由于中放是寬頻帶電路,所以不能使用調(diào)諧回路,元件為無引線型,電路尺寸緊湊。但由于R、C元件的離散性,往往難以得到嚴(yán)格符合設(shè)計(jì)要求的數(shù)值,所以單級(jí)增益低;但可以用增加級(jí)數(shù)的方法加以解決,一般由3~4級(jí)組成,增益約為20 dB。
分布參數(shù)的中放電路可以用微帶形式實(shí)現(xiàn),參見圖8所示??上葴y(cè)出晶體管的S參數(shù),然后設(shè)計(jì)微帶匹配電路。分布參數(shù)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路一致性較好,容易達(dá)到單級(jí)最佳性能,所以放大器一般是2~3級(jí)。
圖8 分布參數(shù)電路
混合形式的電路是用一部分微帶線和部分集中參數(shù)元件組成的。當(dāng)?shù)谝患?jí)管子的S11值適當(dāng)時(shí),可用較短的傳輸線和分支微帶組成輸入電路,能獲得較低的噪聲。級(jí)間和輸出電路可采用微帶和集中參數(shù)元件的結(jié)合。它設(shè)計(jì)靈活,兼有分布和集中參數(shù)電路的優(yōu)點(diǎn)。
室外單元的直流供電由連接室外單元的75 Ω高電纜芯線提供。室內(nèi)單元的直流電源通過高頻扼流圈傳送給室外單元,它對(duì)(3.7~4.2) GHz的微波信號(hào)和第一中頻信號(hào)均無影響。通常16 V~24 V的電壓,一路送去LNA,另一路送到室外單元的穩(wěn)壓電路,穩(wěn)壓后供室外單元其他各級(jí)使用。
3 衛(wèi)星電視下變頻器的主要技術(shù)要求
由于衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中天線接收到的衛(wèi)星下行微波信號(hào)非常微弱,為保證信號(hào)的質(zhì)量,將接收到的衛(wèi)星下行頻率信號(hào)進(jìn)行放大并變頻,C頻段衛(wèi)星電視下變頻器應(yīng)該滿足的主要技術(shù)要求如下:
(1)振幅—頻率特性好。振幅—頻率特性是指輸入電平恒定下,輸入信號(hào)頻率變化時(shí)輸出端電平變化的特性,主要包括通頻帶、功率增益、增益波動(dòng)及增益斜率
方面。
通頻帶要求下變頻器的輸入頻段與衛(wèi)星下行頻段一致,輸出頻段與衛(wèi)星接收機(jī)的輸入頻段一致,而且下變頻器的輸入輸出頻段的帶寬一致;
功率增益是指輸出功率與輸入功率之比;
增益波動(dòng)是指在中頻輸出的頻帶內(nèi),最大增益與最小增益之差;
增益斜率是指在中頻輸出的頻帶內(nèi),單位頻帶內(nèi)增益的變化率。
(2)噪聲系數(shù)低。噪聲系數(shù)是指下變頻器整體的等效輸入噪聲,即將整個(gè)電路產(chǎn)生的熱噪聲等效于在輸入端的一個(gè)噪聲源,通常用噪聲溫度表示。
(3)本振頻率特性好。它包括第一本振頻率的標(biāo)稱值、第一本振頻率的穩(wěn)定度、第一本振頻率的泄漏。
(4)輸入輸出的電壓駐波比及回波損耗小,輸出的電壓駐波比及回波損耗在中頻頻段內(nèi)測(cè)量,輸入的電壓駐波比及回波損耗在下行微波頻段內(nèi)測(cè)量。
(5)功率增益高。它是指下變頻器的中頻信號(hào)輸出功率大。
(6)增益穩(wěn)定性好。這是指在中頻輸出的頻帶內(nèi)增益隨時(shí)間變化的起伏小。
(7)多載波互調(diào)比小。這是指多個(gè)不同頻率的信號(hào)進(jìn)入下變頻器時(shí)的相互調(diào)制產(chǎn)物小。
(8)輸入飽和電平高。這主要是指輸入信號(hào)超過額定范圍時(shí),引起下變頻器進(jìn)入非線性工作區(qū)的影響小。
(9)鏡像干擾抑制比高。這是表示下變頻器抑制鏡頻信號(hào)的能力好。當(dāng)下變頻器工作在線性范圍時(shí),輸入幅度相等的帶內(nèi)信號(hào)和鏡頻信號(hào)兩者在輸出端電平比即鏡像干擾抑制比。
(10)群時(shí)延特性好。這是指下變頻器造成的群時(shí)延小。
(11)雜散信號(hào)少。這是指互調(diào)產(chǎn)物之外的無用信號(hào)少。
(12)殘余調(diào)制噪聲小。這是指當(dāng)輸入端加一標(biāo)稱頻率、標(biāo)稱電平的純正弦信號(hào)時(shí),輸出信號(hào)中含有的附加噪聲小。
這些技術(shù)要求中,以本振頻率穩(wěn)定度高、噪聲溫度低、幅頻特性好為最重要。
以上對(duì)C頻段高頻頭的主要技術(shù)要求可以概括成表1所示。但表1是針對(duì)接收C頻段衛(wèi)星模擬電視信號(hào)的高頻頭而言的,如果在接收衛(wèi)星數(shù)字信號(hào)時(shí),則除了選用噪聲溫度低,本振頻率穩(wěn)定度高,動(dòng)態(tài)增益大外,還必須選用本振相位噪聲小的高頻頭,因?yàn)樵诮邮招l(wèi)星數(shù)字信號(hào)時(shí),高頻頭的本振相位噪聲和本振頻率穩(wěn)定度大小對(duì)接收信號(hào)質(zhì)量是至關(guān)重要的(因?yàn)闀?huì)影響到數(shù)字信號(hào)的誤碼率)。用于數(shù)字壓縮衛(wèi)星接收系統(tǒng)的高頻頭要求本振相位噪聲小于-65 dBc/Hz(在1 kHz處);本振頻率穩(wěn)定度小于±500 kHz。
對(duì)于Ku頻段高頻頭的選擇,由于目前我國使用的通信衛(wèi)星(鑫諾1號(hào)星、亞洲2號(hào)星、亞太1A星等)轉(zhuǎn)發(fā)器的下行工作頻段都為(12.25~12.75) GHz,而國際電聯(lián)分配給我國直播衛(wèi)星(三個(gè)軌位為62°E、80°E、92°E)的下行工作頻段為(11.7~12.2) GHz,因此所選用Ku頻段高頻頭的頻寬范圍一定要與所需接收衛(wèi)星的下行工作頻率范圍相適應(yīng)。
此外,如果使用一體化饋源高頻頭最好選用雙線極化饋源高頻頭,這樣衛(wèi)星下行的兩種極化波可以在衛(wèi)星接收機(jī)上通過極化電控切換來選擇所需接收的垂直或水平極化波。
4 現(xiàn)代高頻頭(LNB)及其發(fā)展趨勢(shì)
由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇,使得高頻頭的制作越來越精良,性能越來越優(yōu)異,電路越來越集成化,體積越來越小,可靠性越來越高,并且增加了很好的防雷擊能力。以下詳細(xì)介紹現(xiàn)代高頻頭的主要特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)。
(1)超低噪聲特性
由于HEMT管子的問世和廣泛應(yīng)用,目前已可獲得低達(dá)20°K的C頻段的噪聲溫度特性和約40 dB的功率增益,以及約40°K的Ku頻段的噪聲溫度特性。
(2)自振混頻電路
采用自振混頻單片電路,使變頻器電路大為簡(jiǎn)化。使用這種單片電路,完成了本振、混頻和第一中放作用,此單片電路不僅沒有變頻損耗,而且獲得了近10 dB的變頻增益,簡(jiǎn)化了電路,增加了可靠性,最常見的單片電路為MSA0886,MSF8885等。
(3)單片中放電路
為了獲得20 dB的中放增益,需3~4級(jí)中頻放大電路,80年代國際上通常采用2只單片電路,可以獲得25 dB左右的增益和約10 dB的一分貝壓縮點(diǎn)輸出功率,單片中放集成電路獲得22 dB的中放增益和12.5 dB的1分貝壓縮點(diǎn)輸出功率。電路簡(jiǎn)化,這種電路常用的單片電路為MSA0886,INA10386等。
(4)表面安裝技術(shù)及高集成化設(shè)計(jì)
70年代及80年代國際上多種高頻頭大都采用帶引線的
的電阻及電容器,體積大,重量大,所用的中放電路也都采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的中放管,本振混頻器均為單獨(dú)分離電路。
當(dāng)今的高頻頭(LNB),采用了表面安裝元件、自諧振混頻電路,單片中放電路實(shí)現(xiàn)了高集成化,體積小,重量輕,可靠性高。
(5)一體化的防潮設(shè)計(jì)
過去市場(chǎng)上銷售的高頻頭,有的由于防水密封設(shè)計(jì)不良而導(dǎo)致提前失效。為解決防水密封設(shè)計(jì),現(xiàn)代高頻頭均趨于一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高頻頭的波導(dǎo)及腔體部分一體化壓鑄成型,射頻及中頻電路的蓋板均有“O”型橡皮圈密封。
(6)防雷擊保護(hù)電路
高頻頭是室外單元,工作在天線后面。為了改善天線的等效噪聲溫度,天線往往都安裝在開闊地及高處。能否防雷擊是高頻頭可靠設(shè)計(jì)的重要方面。70年代和 80年代初的高頻頭大都無防雷擊設(shè)計(jì),現(xiàn)在市場(chǎng)上的高頻頭也有無防雷擊設(shè)計(jì)的。有防雷擊設(shè)計(jì)的大都防雷擊能力在1 500 V左右,而改進(jìn)后的現(xiàn)代高頻頭的防雷擊能力高達(dá)3 000 V。
(7)現(xiàn)代高頻頭的新發(fā)展
現(xiàn)代高頻頭已做成雙極化高頻頭和雙頻段高頻頭,前者可同時(shí)接收到衛(wèi)星下行的兩種極化波信號(hào),后者可同時(shí)接收到C與Ku兩個(gè)頻段的衛(wèi)星下行信號(hào),這就大大地簡(jiǎn)化了整個(gè)饋源系統(tǒng),提高了整個(gè)天饋系統(tǒng)的使用效果。
(8)鑒于衛(wèi)星數(shù)字電視的廣泛應(yīng)用
目前已開發(fā)出本振頻率穩(wěn)定度高,本振相位噪聲低的現(xiàn)代高頻頭,因其產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)誤碼極小,特別適用于對(duì)衛(wèi)星數(shù)字電視信號(hào)的良好接收。