Ka頻段衛(wèi)星地面站接收信道設計

1 引言

進入21世紀，隨著信息全面化及全球巨大的個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，設備體積小的特點，在衛(wèi)星通信及各種形式的衛(wèi)星地面站中的應用也日益廣泛。目前在國內(nèi)地面接力通信系統(tǒng)中，Ka頻段收發(fā)射設備的技術已比較成熟。但衛(wèi)星通信地面站的收發(fā)設備的研制技術還有一定差距，因此Ka頻段衛(wèi)星通信地面站射頻單元關鍵技術及關鍵設備的研制刻不容緩。

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鍵技術的研究中，根據(jù)需求為固定站和移動站提供體積小、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，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，此帶通濾波器對鏡頻和其它帶外雜波有較強的抑制特性。然后與Ka波段接收鎖相本振源輸出的19.35 GHz的本振信號進行單平衡混頻，其差頻信號即為950 MHz~1 450 MHz的L頻段中頻信號，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，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頻段接收單元的設計方案已知系統(tǒng)的主要技術指標為：

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 接收單元設計思想

隨著半導體及集成技術的飛速發(fā)展，設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，可以直接應用到系統(tǒng)中。所以在Ka頻段接收單元在設計過程中實現(xiàn)小型化、模塊化、和通用化的設計思路貫穿始終。在系統(tǒng)設計中關鍵部件均選用相應的單片集成(MMIC)模塊，因此使得系統(tǒng)的研制即節(jié)省了時間又保證了設備的可維修性，同時提高了可靠性。接收單元中關鍵部件就是低噪聲放大器，它要具有低噪聲系數(shù)、高增益、大動態(tài)范圍的特點。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的E面波導金屬膜片帶通濾波器。Ka頻段接收單元的電路組成結構見圖2。

圖2 接收信道電路圖

4 接收單元仿真設計及指標分析

4.1 接收單元拓撲電路

在設備進入實質性的設計與研制之前應用EDA軟件對系統(tǒng)進行仿真優(yōu)化設計，參照接收單元的主要技術指標要求及選用的各個器件。應用ADS微波設計軟件對接收單元的信道部分進行了系統(tǒng)仿真優(yōu)化設計。接收單元的仿真拓撲電路見圖3，根據(jù)拓撲電路選擇相應的Simulation Controller對接收信道的主要指標分別進行仿真優(yōu)化，并得出仿真結果。

圖3 接收信道仿真拓撲電路

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之間惡化情況的總量度，它也是衡量接收單元設計優(yōu)劣的質量因數(shù)。優(yōu)質接收單元的設計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部件組成，對于級聯(lián)網(wǎng)絡其噪聲系數(shù)計算公式為

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)，因為集成放大器APM1、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，對接收單元的噪聲系數(shù)進行了仿真，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。[!--empirenews.page--]

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經(jīng)各級放大器放大后進入混頻模塊，經(jīng)混頻會產(chǎn)生若干寄生頻率，但最值得注意的有兩個頻率 ，一個是和頻 ω+=ωL+ωs ; 另一個 就 是鏡頻ωk=2ωL-ωs 。這個頻率相對于本振來說和信號處于鏡像的位置， 但比較而言鏡頻距離信號頻率最近，因此很容易落在信號頻帶之內(nèi)，對信號產(chǎn)生影響。

在微波接收系統(tǒng)中，鏡頻抑制是一項非常重要的技術問題，良好的鏡頻抑制能夠避免噪聲惡化，同時也能降低外界鏡頻干擾。實現(xiàn)單邊帶接收的常用方法是在混頻器信號輸入端接入一帶通濾波器，以抑制鏡像輸入信號。采用帶外抑制很強的波導型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 結束語

通過仿真設計，可以看出在該接收單元設計中選用的各部件的技術指標與接收信道的要求是相匹配的。各項技術指標能滿足系統(tǒng)要求，在設備的研制過程中也驗證了仿真結果的可行性。因此通過應用EDA軟件對系統(tǒng)進行仿真設計，可以判斷通信系統(tǒng)技術指標的合理性與優(yōu)劣，使通信系統(tǒng)發(fā)揮最大效益，同時使得一些本來無法進行試驗的過程在仿真中獲得驗證。為成功研制設備提供了重要依據(jù)，從而有效地避免了在設備研制過程中走彎路、耗時間。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，實現(xiàn)了信道的模塊化、小型化、通用化。對于不同要求的地面站，適當調(diào)換相應的器件，就可以滿足其要求。