Ku波段双馈源高频头的设计
时间：10-30
来源：亚洲卫星电视
点击：
随着全球直播卫星产业的发展，国际市场一些BSS(卫星广播业务)和FSS（卫星固定业务)用户有对一点同时接收两颗卫星信号LNB的要求。根据客户反映和我们的市场开拓人员辛苦调研，Ku波段双馈源高频头在国际市场的需求量很大，特别是在一些发达国家．如欧、美市场。本文和要介绍了我研发的一款K u波段双竣源高频头的设计方法。
项目要求的主要性能指标
1．性能指标要求
(1)输入频率：11 7 12．75GHz
(2)噪声系数：NF≤0．8dB
(3)增益：G=55±5dB
(4)镜像抑制：≥30dB
(5)本振标称频率：10．75 GHz_1MHz
(6)本振稳定度：f±2MHz
(7)载波互调比：>140 dB
(8)增益稳定度：≤0．5 dB
(@／36MHz)
(9)输出频率：950~2000MHz
(10)一本振泄露电平：≤-50dBmW
(11)本振相位噪声：
≥60dB(@／1KHz)
≥85dB(@／10KHz)
≥100dB(@／100KHz)
(12)使用电压范围：10--20V
2．结构要求
样品腔体采用铝压铸件，腔体表面采用喷塑工艺处理。
3．环境适应要求
(1)温度要求
高频头工作温度范围一40℃—+60℃
(2)湿度要求
高频头在相对湿度5％一l00％的环境条件中应能正常工作：
(3)大气压要求
高频头在以下大气压条件下的环境中应能正常工作：86-106KPa
Ku波段双馈源高频头的基本工作原理及系统框图
1． 基本工作原理
Ku波段高频头也称Ku波段下变频器，其将卫星传输的下行信号经过天线聚集放大后传送到LNB馈源波导输入，再通过耦台探针(或耦合微带传输线)输入到高频放大器，经低噪声放大器放大后，通过带通镜像频率抑制滤波器选择所需频段的P．F信号．再和本振信号混频差频出中频信号，输出信号通过电缆送入卫星接收机完成QPSK解调和MPEG一2解码工作．以A／v信号的模式提供给电视机。用户可以通过控制信号选择所需要的两颗卫星上任意一个星上的信号。
Ku波段双馈源高频头主要单元电路设计
1． 场效应管低噪声放大器(FET LNA)
在设计一个放大器电路时，需要考虑到的特性很多，但最重要的是稳定性、功率增益、噪声系数、输出功率、输入和输出电压驻波比、动态范围、功率增益带内平坦度等。本产品的低噪声放大器采用的是NEC公司的NE4210S01场效应管低噪声放大器。场效应管低噪声放大器的作用是放大从腔体馈源馈入的微弱的信号。
(1) 第一级F盯LNA的设计
该电路处于高频头有源电路的最前端，因此采用最佳噪声匹配。通常，任意有噪声两端口网络可以用接在无噪声两端口网络输入端的一个噪声电压源和一个噪声电流源来表示。假女Il电路以电压噪声为主．则采用一个高的源阻抗会使传输的噪声信号最小，假如以电流噪声为主，则连接一个低的源阻抗会使传输的噪声信号最小。当两种噪声源同时存在时，从电路的最小噪声系数将得出一个特定的源导纳(或源阻抗)，称之为最佳源导纳。利角史密斯圆图可以给出输入导纳或阻抗平面上的等噪声系数圆。我们用下面的关系式来描述噪声系数是如何偏离最小值而增加的：
F2Fmin+lKn／Gs】Ys-YoI
式中，F=噪声系数，Fmin=最小噪声系数，Rn=等效噪声电阻，Yo=给出最小噪声系数的最佳源导纳=Go+jBo,Ys=源导纳。
多级级联放大器的噪声系数计算公式如下：
NF=NFl+(NF2—1)，Gl+((NF3—1)／Gl G2+…．
从以上的公式可知，第一级放大器的噪声系数对整个高频头产品的噪声系数的大小会起到一个决定性的作用。
我们采用的微波电路板材是罗杰斯公司的高性能电路Rogers板材，其介电常数是3．38-+0 05，厚度是0．5mm，损耗角正切是0．0027。我们使用先进的微波电路仿真软件ADS进行优化仿真，再通过精心的调试，经过几次试验调试。最后达到了我们的设计要求，高频头的整机噪声小于0．8dB，如下图所示：
2．微带带通滤波器的设计
(1)带通滤波器的主要技术指标：
①通带边界频率与通带内衰减、起伏
②阻带边界频率与阻带衰减
(2)微带带通滤波器的设计步骤
我们采用ADS软件来设计该滤波器，设计步骤包括：
① 原理图绘制
②电路参数的优化、仿真
③版图的仿真等
根据软件仿真设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板。我们对加工好的电路进行调试，再通过软件进行仿真，再调试，经过几次的反复仿真、译试，使其满足我们的设计要求。
我们设计的带通滤波器达到的主要指标如下：
①通带频率：11.7——l2．75GHz
②通带内衰减小于3dB
③通带内起伏小于ldB
④阻带衰减大于30dB
3．介质稳频振荡器的设计
介质稳频振荡器是利用微波介质谐振器做为高Q腔对FET振荡器进行稳频的振荡器。近年来，用作介质谐振器的低损耗材料有了非常大的进步，介质谐振器Q值已接近金属空腔谐振器，而且它的温度系数可以利用不同的材料配方来控制，以使其达到和FET电路相互补偿的作用，因此可以获得很高的频率稳定度。而且它的体积小、重量轻，容易和微带电路部件集成使用。我们设计的介质稳频振荡器采用的电路形式是反馈式的电路，用的是微波砷化镓场效应管做为振荡管，介质振荡器用做高Q稳频腔，这种的设计方案其主要优点是一次产生主振功率，没有低于主振频率的分谐波干扰，而且体积小、结构简单、功耗低、元气件数量少、可靠性高。
介质振荡器的基本原理是在不加介质谐振器时，FET电路是微波放大器的工作状态，此时没有振荡，为获得自激振荡，把介质谐振器放置在输出微带线和输入微带线之间，通过磁场耦合把输出功率的一部分反馈到栅极，当反馈相位和反馈功率合适时将产生振荡。介质谐振器相当于窄带带通滤波器，在介质谐振器的中心频率上，反馈最强，相位合适。改变栅极和漏极微带线的夹角和介质的位置将同时改变反馈相位和功率，需反复凑试才能获得最佳结构位置。
振荡器的设计包括输出匹配电路和输入匹配电路，介质谐振器与微带线耦合以及到FET的距离L等。我们通过ADS软件仿真，做试验，反复仿真、做试验验证，最后达到的介质稳频振荡器的主要设计指标如下：
①本脉振标称频率：
10．75GHz±1MHz
②本振稳定度：
10．75GHz±2MHz
(一40℃—+60℃)
③本振相位噪声：
≥60dB(@／1KHz)
≥85dB(@／10KHz)
≥lOOdB(@／100KHz)
④一本振泄露电平：
≤一50dBmw
4馈源设计
按照Ku波段一体化高频头的要求，需要将反射面天线的馈源与下变频器设计成一体，下行信号被天线馈源接收后通过波导同轴变换直接送入下变频器，完成频率转换。设计中天线馈源使用圆锥波纹喇叭，采用变槽深、槽宽的宽带技术，使之在带宽为1．05GHz的信号频带宽内拥有良好的VSWR和辐射特性。HI SS仿真设计的结果见图1、2、3。
由于卫星高频头工作于室外，其工作温度范围应达到一40?C～60℃，相对湿度应满足10％--100％，馈源口应做密水处理。
项目要求的主要性能指标
1．性能指标要求
(1)输入频率：11 7 12．75GHz
(2)噪声系数：NF≤0．8dB
(3)增益：G=55±5dB
(4)镜像抑制：≥30dB
(5)本振标称频率：10．75 GHz_1MHz
(6)本振稳定度：f±2MHz
(7)载波互调比：>140 dB
(8)增益稳定度：≤0．5 dB
(@／36MHz)
(9)输出频率：950~2000MHz
(10)一本振泄露电平：≤-50dBmW
(11)本振相位噪声：
≥60dB(@／1KHz)
≥85dB(@／10KHz)
≥100dB(@／100KHz)
(12)使用电压范围：10--20V
2．结构要求
样品腔体采用铝压铸件，腔体表面采用喷塑工艺处理。
3．环境适应要求
(1)温度要求
高频头工作温度范围一40℃—+60℃
(2)湿度要求
高频头在相对湿度5％一l00％的环境条件中应能正常工作：
(3)大气压要求
高频头在以下大气压条件下的环境中应能正常工作：86-106KPa
Ku波段双馈源高频头的基本工作原理及系统框图
1． 基本工作原理
Ku波段高频头也称Ku波段下变频器，其将卫星传输的下行信号经过天线聚集放大后传送到LNB馈源波导输入，再通过耦台探针(或耦合微带传输线)输入到高频放大器，经低噪声放大器放大后，通过带通镜像频率抑制滤波器选择所需频段的P．F信号．再和本振信号混频差频出中频信号，输出信号通过电缆送入卫星接收机完成QPSK解调和MPEG一2解码工作．以A／v信号的模式提供给电视机。用户可以通过控制信号选择所需要的两颗卫星上任意一个星上的信号。
Ku波段双馈源高频头主要单元电路设计
1． 场效应管低噪声放大器(FET LNA)
在设计一个放大器电路时，需要考虑到的特性很多，但最重要的是稳定性、功率增益、噪声系数、输出功率、输入和输出电压驻波比、动态范围、功率增益带内平坦度等。本产品的低噪声放大器采用的是NEC公司的NE4210S01场效应管低噪声放大器。场效应管低噪声放大器的作用是放大从腔体馈源馈入的微弱的信号。
(1) 第一级F盯LNA的设计
该电路处于高频头有源电路的最前端，因此采用最佳噪声匹配。通常，任意有噪声两端口网络可以用接在无噪声两端口网络输入端的一个噪声电压源和一个噪声电流源来表示。假女Il电路以电压噪声为主．则采用一个高的源阻抗会使传输的噪声信号最小，假如以电流噪声为主，则连接一个低的源阻抗会使传输的噪声信号最小。当两种噪声源同时存在时，从电路的最小噪声系数将得出一个特定的源导纳(或源阻抗)，称之为最佳源导纳。利角史密斯圆图可以给出输入导纳或阻抗平面上的等噪声系数圆。我们用下面的关系式来描述噪声系数是如何偏离最小值而增加的：
F2Fmin+lKn／Gs】Ys-YoI
式中，F=噪声系数，Fmin=最小噪声系数，Rn=等效噪声电阻，Yo=给出最小噪声系数的最佳源导纳=Go+jBo,Ys=源导纳。
多级级联放大器的噪声系数计算公式如下：
NF=NFl+(NF2—1)，Gl+((NF3—1)／Gl G2+…．
从以上的公式可知，第一级放大器的噪声系数对整个高频头产品的噪声系数的大小会起到一个决定性的作用。
我们采用的微波电路板材是罗杰斯公司的高性能电路Rogers板材，其介电常数是3．38-+0 05，厚度是0．5mm，损耗角正切是0．0027。我们使用先进的微波电路仿真软件ADS进行优化仿真，再通过精心的调试，经过几次试验调试。最后达到了我们的设计要求，高频头的整机噪声小于0．8dB，如下图所示：
2．微带带通滤波器的设计
(1)带通滤波器的主要技术指标：
①通带边界频率与通带内衰减、起伏
②阻带边界频率与阻带衰减
(2)微带带通滤波器的设计步骤
我们采用ADS软件来设计该滤波器，设计步骤包括：
① 原理图绘制
②电路参数的优化、仿真
③版图的仿真等
根据软件仿真设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板。我们对加工好的电路进行调试，再通过软件进行仿真，再调试，经过几次的反复仿真、译试，使其满足我们的设计要求。
我们设计的带通滤波器达到的主要指标如下：
①通带频率：11.7——l2．75GHz
②通带内衰减小于3dB
③通带内起伏小于ldB
④阻带衰减大于30dB
3．介质稳频振荡器的设计
介质稳频振荡器是利用微波介质谐振器做为高Q腔对FET振荡器进行稳频的振荡器。近年来，用作介质谐振器的低损耗材料有了非常大的进步，介质谐振器Q值已接近金属空腔谐振器，而且它的温度系数可以利用不同的材料配方来控制，以使其达到和FET电路相互补偿的作用，因此可以获得很高的频率稳定度。而且它的体积小、重量轻，容易和微带电路部件集成使用。我们设计的介质稳频振荡器采用的电路形式是反馈式的电路，用的是微波砷化镓场效应管做为振荡管，介质振荡器用做高Q稳频腔，这种的设计方案其主要优点是一次产生主振功率，没有低于主振频率的分谐波干扰，而且体积小、结构简单、功耗低、元气件数量少、可靠性高。
介质振荡器的基本原理是在不加介质谐振器时，FET电路是微波放大器的工作状态，此时没有振荡，为获得自激振荡，把介质谐振器放置在输出微带线和输入微带线之间，通过磁场耦合把输出功率的一部分反馈到栅极，当反馈相位和反馈功率合适时将产生振荡。介质谐振器相当于窄带带通滤波器，在介质谐振器的中心频率上，反馈最强，相位合适。改变栅极和漏极微带线的夹角和介质的位置将同时改变反馈相位和功率，需反复凑试才能获得最佳结构位置。
振荡器的设计包括输出匹配电路和输入匹配电路，介质谐振器与微带线耦合以及到FET的距离L等。我们通过ADS软件仿真，做试验，反复仿真、做试验验证，最后达到的介质稳频振荡器的主要设计指标如下：
①本脉振标称频率：
10．75GHz±1MHz
②本振稳定度：
10．75GHz±2MHz
(一40℃—+60℃)
③本振相位噪声：
≥60dB(@／1KHz)
≥85dB(@／10KHz)
≥lOOdB(@／100KHz)
④一本振泄露电平：
≤一50dBmw
4馈源设计
按照Ku波段一体化高频头的要求，需要将反射面天线的馈源与下变频器设计成一体，下行信号被天线馈源接收后通过波导同轴变换直接送入下变频器，完成频率转换。设计中天线馈源使用圆锥波纹喇叭，采用变槽深、槽宽的宽带技术，使之在带宽为1．05GHz的信号频带宽内拥有良好的VSWR和辐射特性。HI SS仿真设计的结果见图1、2、3。
由于卫星高频头工作于室外，其工作温度范围应达到一40?C～60℃，相对湿度应满足10％--100％，馈源口应做密水处理。