小卫星通信系统射频前端设计

噪声是锁相环的重要指标。最佳锁定时间需要45°～48°的相位裕度，经验公式如下：

式中：fjump="f1-f2|为频率跳变量;f为初始频率;f2为终止频率;ftol为频率锁定误差容限;BW为环路带宽;LT为锁定时间。

可见环路带宽越大，锁定时间越短，频率跳变越小，锁定时间越短。可以通过适当增大环路带宽和增大鉴相频率的方法缩短环路锁定时间。

锁相环电路的噪声来源于参考信号噪声、电荷泵噪声、反馈分频噪声和压控振荡器噪声四部分。环路滤波器对环路参数调整起着决定性作用，关于环路滤波器的阶数，最基本的环路滤波器是两阶，如果想进一步降低参考杂散的幅度，可以在二阶环路滤波器之后再加一个RC低通网络，构成三阶无源环路滤波器。该项目中选用的频率合成器是ADF4360-1，用ADIsimPLL软件设计三阶无源滤波器，并对输出信号进行仿真，射频本振信号锁定时间和相位噪声如图4所示，锁定时间为22μs，2.27GHz处相位噪声为-88dBc/Hz/10kHz。

2.3 自动增益控制电路

自动增益控制电路主要由变增益放大器和检测控制电路两部分组成。传统的检测控制电路有两种实现方法，一是采用模拟方法检测信号的峰值，对峰值信号进行低通滤波、放大以后控制VGA的增益，这种模拟检测、模拟控制的方法实现起来比较简单。二是采用数字方法检测信号的峰值，对检测到的峰值进行一定的处理后产生数字控制量调整VGA的增益，这种方法需要A/D转换器。限于小卫星上提供电压和功率很低，空间很小，所以采用第一种方法。

自动增益控制电路中一般将变增益放大器设置在中频段，该项目中考虑到系统的功耗，选用低功耗的变增益放大器HMC287MS8，将变增益放大器设置在射频段，结合检波器、运算放大器和滤波器实现自动增益控制，原理图如图5所示。

检波器对检测信号的功率有下限要求，输入信号功率超过下限时检波器输出电压才能变化，因此信号检测点选择要合宜。该项目中选用的检波器是 AD8361，AD8361对30MHz信号检波，实际测试输出电压随输入信号功率变化如表1所示。结合变增益放大器的增益变化曲线，调整运算放大器的参考电压和运算方程可实现闭环系统增益的稳定控制。

3 实验验证

经过设计制成小卫星射频前端电路板如图6所示，利用信号源86320B和频谱仪8563E进行测试，系统接收信号2.3GHz，功率从 -120dBm起，输出中频信号功率信噪比不低于15dB。接收信号在30dBm范围内变化时，输出中频信号变化小于6dBm，如表2所示。经过计算得出相位噪声为-82dBc/Hz/10kHz。

4 结语

本文对射频前端中几个重要组成部分进行了分析和仿真，在此基础上设计了一种适合于编队飞行的小卫星通信系统射频前端结构。实验测试验证了该系统的合理性，该系统的功耗低、接收灵敏度高、体积小、重量轻，几项关键的预期指标已达到。回顾系统的设计和测试，其中有些指标和措施仍需要改进，如AGC的稳定范围不是很大，需要结合发射卫星的数控衰减器调节才能实现输出信号完全稳定，这需要综合更多的因素对系统整体方案进行更深地研究和改进。