衛(wèi)星定位有源天線性能測試接口轉(zhuǎn)換裝置

摘要：在衛(wèi)星有源接收天線測試過程中，受天線自身所帶放大器增益的限制，其輸出的信號功率無法達到后端測試設(shè)備最低輸入靈敏度的要求，致使天線的某些性能測試工作無法進行。針對有源天線測試過程中遇到的接口不匹配和接收信號場強不匹配問題，提出了在被測有源天線與后端測試設(shè)備之間增加一個接口轉(zhuǎn)換裝置。該裝置由SMA接頭、低噪聲放大器、直流電源隔離電路和防浪涌沖擊電路構(gòu)成。仿真表明，該接口轉(zhuǎn)換裝置能有效地完成在微波暗室里進行的衛(wèi)星有源接收天線性能測試。
關(guān)鍵詞：天線測試；有源天線；接口轉(zhuǎn)換裝置；低噪聲放大器

    衛(wèi)星有源接收天線由天線和所帶低噪聲放大器兩部分組成，在接收天線性能測試過程中，受天線自身所帶放大器增益的限制，其輸出的信號功率無法達到后端測試設(shè)備最低輸入靈敏度的要求，存在接收天線與測試接收機接口會出現(xiàn)不匹配的問題。在天線與測試設(shè)備之間必須增加一個接口轉(zhuǎn)換裝置才能有效地完成天線
性能的測試。

1 有源天線性能測試
    一般無源天線測試的基本原理框圖如圖1所示。

    隨著衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，許多情況下要求必須對其接收天線的性能進行測試。
    在微波暗室完成衛(wèi)星接收天線性能的測試，標準天線只能作為發(fā)射天線，因為衛(wèi)星有源天線內(nèi)含有低噪聲放大器，其工作模式為純接收方式。發(fā)射與接收之間的間距是固定的。用于反映信號場強大小的接收機性能也是固定的。另一方面衛(wèi)星接收天線一般足對-140 dBm的微弱信號進行放大，其增益動態(tài)范圍和輸出端口的動態(tài)范圍很小，一般用它來對接收機的增益進行補充，因此反饋給它的輸入信號功率電平不能太大。有源接收天線其輸出端的功率為-120 dBm左右，而微波暗室里的場強接收機(實驗室里的頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)適量分析儀等接收設(shè)備等)接收靈敏度為-80 dBm左右，所以在整個測試回路里必須有40 dB左右的增益補充。
    所以在實際測試過程受測試條件和待測天線自身所帶放大器增益限制，衛(wèi)星有源接收天線輸出端口的信號功率無法達到微波暗室場強測量接收機的正常接收靈敏度要求。另外正常工作時有源天線的工作電源是后端接收機通過射頻電纜供給，而在暗室進行測試時場強接收機無此能力，這樣就存在接口不匹配的問題。
    基于在微波暗室測量衛(wèi)星有源接收天線所存在的問題，在待測天線與后端測試設(shè)備(場強接收機、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等)之間增加一個接口轉(zhuǎn)換裝置來滿足后級測試設(shè)備的需求。

2 有源接收天線性能測試接口轉(zhuǎn)換裝置
    接口轉(zhuǎn)換裝置在整個測試鏈路的位置，與前端待測火線、后端測量設(shè)備之間的連接關(guān)系如圖2所示。

    接口轉(zhuǎn)換裝置安置在待測有源天線和測量儀器之問，它必須對由衛(wèi)星接收天線接收下來的射頻信號具有大于40 dB的增益；為保證整個傳輸鏈路信號的信噪比，必須具有低的噪聲系數(shù)(小于1)并滿足電路匹配和供電匹配。
    按照測試要求待源天線與后端測試設(shè)備之間的接口轉(zhuǎn)換裝置包括：與有源天線、后端測試設(shè)備對應(yīng)的SMA接頭；具有一定功能的低噪聲放大器；直流電源隔離電路；防浪涌沖擊電路。其接L1轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2．1 直流電源隔離電路
    直流電源隔離電路除給接口轉(zhuǎn)換裝置提供一正常工作電壓外還要給衛(wèi)星接收有源天線里的低噪聲放大器提供一低紋波的工作電壓。其技術(shù)特點是輸出多路低紋波的±12 V，±5 V的工作電壓。實際電路用目前技術(shù)比較成熟的微帶傳輸線、瞬態(tài)電壓抑制二極管、電阻、電容、電感及DC／DC模塊等器件就可以實現(xiàn)。
2．2 低噪聲放大器
    低噪聲放大器是接口轉(zhuǎn)換裝置的核心器件，為接口裝置提供了適宜的增益(大于40 dB)，保證了裝置的噪聲特性(前級放大器的噪聲系數(shù)在0．9左右，由于它起的是一個橋梁作用，其噪聲系數(shù)也必須小于1)，滿足了測試過程中射頻信號變化的線性動態(tài)范圍(動態(tài)范圍在60 dB左右)。
    接口轉(zhuǎn)換裝置輸出增益就是所設(shè)計低噪聲放大器的增益。該放大器的增益與所測天線自帶的放大器的總增益在60 dB左右即可滿足使用要求。一級放大電路僅能提供小于20 dB的增益，而有源天線自帶放大器增益只有十幾分貝，所以該低噪聲放大器設(shè)計成兩級放大器，器件采用ATF54143晶體管。
    對第一級放大電路優(yōu)先考慮噪聲系數(shù)，后一級放大電路主要考慮穩(wěn)定性，第一級輸入按最佳噪聲設(shè)計匹配電路，輸出對增益的平坦度進行一定的補償，第二級按最大增益設(shè)計匹配，使放大器有較高的增益，并使幅頻特性為最佳平坦。其低噪聲放大器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    低噪聲放大器的偏置電路中晶體管的S參數(shù)和噪聲系數(shù)是在特定的靜態(tài)工作點測得的，靜態(tài)直流工作點不同，各參數(shù)也會有變化，為了準確地設(shè)計，選擇參數(shù)測定時的工作點為放大器的工作點。圖5是取靜態(tài)工作點為Vds=4 V，Ids=10 mA，得到Vgs=0．45 V的直流特性曲線，m1所指曲線為選定的直流特性曲線。

    匹配電路包括輸入、輸出和級間匹配電路，設(shè)計中借助Smith圓圖完成匹配電路的設(shè)計。
2．3 防浪涌沖擊電路
    防浪涌沖擊電路是阻止整個天線測試過程中浪涌電流對有源天線及低噪聲放大器的損壞，有效地保護了整個信號接收鏈路里的測試裝置。電路實現(xiàn)采用專用繞線電阻、高頻二極管、高頻三極管、電感、電容進行組合，形成防浪涌沖擊電路。

3 仿真驗證
    ADS是在射頻微波領(lǐng)域具有強大的功能、豐富的模板支持和高效準確的仿真能力的EDA軟件，包括從頻域和時域電路仿真到電磁場仿真的全套仿真技術(shù)。
    利用ADS仿真軟件對低噪聲放大器電路進行仿真。仿真得到的低噪聲放大器工作頻率為1．3～1．8 GHz，NF<0．76 dB，Gain>30 dB、輸出駐波比：VSWRout≤2．1，輸入駐波比：VSWRin≤1．7。其性能指標以及其曲線如圖6～圖9所示。

    從圖6中可以看出在1．3～1．8 GHz之間，兩級放大器的增益大于設(shè)計指標要求的30 dB。
    在兩個穩(wěn)定性測量方程Mu和MuPrime下滿足穩(wěn)定性的要求。
    從仿真結(jié)果看，基于ATF-54143射頻晶體管實現(xiàn)的低噪聲放大器具有寬的線性功率范圍(比所測天線自帶的低噪聲放大器的線性功率范圍寬30 dB左右)、大的功率增益(該放大器的增益與所測天線自帶的低噪聲放大器的增益加起來總增益在60 dB左右)、低的噪聲系數(shù)(噪聲系數(shù)與增益之比遠小于所測天線自帶的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)與增益之比)和低的增益平坦度(0．1dB)。

4 結(jié)論
    本文提出了在待測有源天線和測量儀器之間連接一個接口轉(zhuǎn)換裝置。該裝置由SMA接頭、低噪聲放大器、直流電源隔離電路和防浪涌沖擊電路構(gòu)成。仿真表明，該低噪聲放大器具有寬的線性功率范圍、適宜的功率增益、最佳的噪聲系數(shù)和低的增益平坦度。該接口轉(zhuǎn)換裝置能有效地完成在微波暗室里進行的衛(wèi)星有源接收天線性能測試。
    該接口轉(zhuǎn)換裝置還可用于實驗室通過網(wǎng)絡(luò)分析儀或頻譜分析儀對類似衛(wèi)星信號這樣的微弱信號進行分析，具有一定的實用價值。