- Ku波段雙饋源高頻頭的設(shè)計(jì)
- 將反射面天線的饋源與下變頻器設(shè)計(jì)成一體
- 開發(fā)了一款Ku波段雙饋源衛(wèi)星高頻頭
隨著全球直播衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國際市場一些BSS(衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù))和FSS（衛(wèi)星固定業(yè)務(wù))用戶有對(duì)一點(diǎn)同時(shí)接收兩顆衛(wèi)星信號(hào)LNB的要求。根據(jù)客戶反映和我們的市場開拓人員辛苦調(diào)研，Ku波段雙饋源高頻頭在國際市場的需求量很大，特別是在一些發(fā)達(dá)國家．如歐、美市場。本文和要介紹了我研發(fā)的一款K u波段雙竣源高頻頭的設(shè)計(jì)方法。
項(xiàng)目要求的主要性能指標(biāo)
1．性能指標(biāo)要求
(1)輸入頻率：11 7 12．75GHz
(2)噪聲系數(shù)：NF≤0．8dB
(3)增益：G=55±5dB
(4)鏡像抑制：≥30dB
(5)本振標(biāo)稱頻率：10．75 GHz_1MHz
(6)本振穩(wěn)定度：f±2MHz
(7)載波互調(diào)比：>140 dB
(8)增益穩(wěn)定度：≤0．5 dB
(@／36MHz)
(9)輸出頻率：950~2000MHz
(10)一本振泄露電平：≤-50dBmW
(11)本振相位噪聲：
≥60dB(@／1KHz)
≥85dB(@／10KHz)
≥100dB(@／100KHz)
(12)使用電壓范圍：10--20V
2．結(jié)構(gòu)要求
樣品腔體采用鋁壓鑄件，腔體表面采用噴塑工藝處理。
3．環(huán)境適應(yīng)要求
(1)溫度要求
高頻頭工作溫度范圍一40℃—+60℃
(2)濕度要求
高頻頭在相對(duì)濕度5％一l00％的環(huán)境條件中應(yīng)能正常工作：
(3)大氣壓要求
高頻頭在以下大氣壓條件下的環(huán)境中應(yīng)能正常工作：86-106KPa
Ku波段雙饋源高頻頭的基本工作原理及系統(tǒng)框圖
1． 基本工作原理
Ku 波段高頻頭也稱Ku波段下變頻器，其將衛(wèi)星傳輸?shù)南滦行盘?hào)經(jīng)過天線聚集放大后傳送到LNB饋源波導(dǎo)輸入，再通過耦臺(tái)探針(或耦合微帶傳輸線)輸入到高頻放大器，經(jīng)低噪聲放大器放大后，通過帶通鏡像頻率抑制濾波器選擇所需頻段的P．F信號(hào)．再和本振信號(hào)混頻差頻出中頻信號(hào)，輸出信號(hào)通過電纜送入衛(wèi)星接收機(jī)完成QPSK解調(diào)和MPEG一2解碼工作．以A／v信號(hào)的模式提供給電視機(jī)。用戶可以通過控制信號(hào)選擇所需要的兩顆衛(wèi)星上任意一個(gè)星上的信號(hào)。
Ku波段雙饋源高頻頭主要單元電路設(shè)計(jì)
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1． 場效應(yīng)管低噪聲放大器(FET LNA)
在設(shè)計(jì)一個(gè)放大器電路時(shí)，需要考慮到的特性很多，但最重要的是穩(wěn)定性、功率增益、噪聲系數(shù)、輸出功率、輸入和輸出電壓駐波比、動(dòng)態(tài)范圍、功率增益帶內(nèi)平坦度等。本產(chǎn)品的低噪聲放大器采用的是NEC公司的NE4210S01場效應(yīng)管低噪聲放大器。場效應(yīng)管低噪聲放大器的作用是放大從腔體饋源饋入的微弱的信號(hào)。
(1) 第一級(jí)F盯LNA的設(shè)計(jì)
該電路處于高頻頭有源電路的最前端，因此采用最佳噪聲匹配。通常，任意有噪聲兩端口網(wǎng)絡(luò)可以用接在無噪聲兩端口網(wǎng)絡(luò)輸入端的一個(gè)噪聲電壓源和一個(gè)噪聲電流源來表示。假女Il電路以電壓噪聲為主．則采用一個(gè)高的源阻抗會(huì)使傳輸?shù)脑肼曅盘?hào)最小，假如以電流噪聲為主，則連接一個(gè)低的源阻抗會(huì)使傳輸?shù)脑肼曅盘?hào)最小。當(dāng)兩種噪聲源同時(shí)存在時(shí)，從電路的最小噪聲系數(shù)將得出一個(gè)特定的源導(dǎo)納(或源阻抗)，稱之為最佳源導(dǎo)納。利角史密斯圓圖可以給出輸入導(dǎo)納或阻抗平面上的等噪聲系數(shù)圓。我們用下面的關(guān)系式來描述噪聲系數(shù)是如何偏離最小值而增加的：
F2Fmin+lKn／Gs】Ys-YoI
式中，F(xiàn)=噪聲系數(shù)，F(xiàn)min=最小噪聲系數(shù)，Rn=等效噪聲電阻，Yo=給出最小噪聲系數(shù)的最佳源導(dǎo)納=Go+jBo,Ys=源導(dǎo)納。
多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)計(jì)算公式如下：
NF=NFl+(NF2—1)，Gl+((NF3—1)／Gl G2+…．
從以上的公式可知，第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)高頻頭產(chǎn)品的噪聲系數(shù)的大小會(huì)起到一個(gè)決定性的作用。
我們采用的微波電路板材是羅杰斯公司的高性能電路Rogers板材，其介電常數(shù)是3．38-+0 05，厚度是0．5mm，損耗角正切是0．0027。我們使用先進(jìn)的微波電路仿真軟件ADS進(jìn)行優(yōu)化仿真，再通過精心的調(diào)試，經(jīng)過幾次試驗(yàn)調(diào)試。最后達(dá)到了我們的設(shè)計(jì)要求，高頻頭的整機(jī)噪聲小于0．8dB，如下圖所示：
2．微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)
(1)帶通濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)：
①通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏
②阻帶邊界頻率與阻帶衰減
(2)微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)步驟
我們采用ADS軟件來設(shè)計(jì)該濾波器，設(shè)計(jì)步驟包括：
① 原理圖繪制
②電路參數(shù)的優(yōu)化、仿真
③版圖的仿真等
根據(jù)軟件仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果繪制電路版圖，并加工成電路板。我們對(duì)加工好的電路進(jìn)行調(diào)試，再通過軟件進(jìn)行仿真，再調(diào)試，經(jīng)過幾次的反復(fù)仿真、譯試，使其滿足我們的設(shè)計(jì)要求。
我們?cè)O(shè)計(jì)的帶通濾波器達(dá)到的主要指標(biāo)如下：
①通帶頻率：11.7——l2．75GHz
②通帶內(nèi)衰減小于3dB
③通帶內(nèi)起伏小于ldB
④阻帶衰減大于30dB
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3．介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的設(shè)計(jì)
介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器是利用微波介質(zhì)諧振器做為高Q腔對(duì)FET振蕩器進(jìn)行穩(wěn)頻的振蕩器。近年來，用作介質(zhì)諧振器的低損耗材料有了非常大的進(jìn)步，介質(zhì)諧振器Q值已接近金屬空腔諧振器，而且它的溫度系數(shù)可以利用不同的材料配方來控制，以使其達(dá)到和FET電路相互補(bǔ)償?shù)淖饔茫虼丝梢垣@得很高的頻率穩(wěn)定度。而且它的體積小、重量輕，容易和微帶電路部件集成使用。我們?cè)O(shè)計(jì)的介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器采用的電路形式是反饋式的電路，用的是微波砷化鎵場效應(yīng)管做為振蕩管，介質(zhì)振蕩器用做高Q穩(wěn)頻腔，這種的設(shè)計(jì)方案其主要優(yōu)點(diǎn)是一次產(chǎn)生主振功率，沒有低于主振頻率的分諧波干擾，而且體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、元?dú)饧?shù)量少、可靠性高。
介質(zhì)振蕩器的基本原理是在不加介質(zhì)諧振器時(shí)，F(xiàn)ET電路是微波放大器的工作狀態(tài)，此時(shí)沒有振蕩，為獲得自激振蕩，把介質(zhì)諧振器放置在輸出微帶線和輸入微帶線之間，通過磁場耦合把輸出功率的一部分反饋到柵極，當(dāng)反饋相位和反饋功率合適時(shí)將產(chǎn)生振蕩。介質(zhì)諧振器相當(dāng)于窄帶帶通濾波器，在介質(zhì)諧振器的中心頻率上，反饋?zhàn)顝?qiáng)，相位合適。改變柵極和漏極微帶線的夾角和介質(zhì)的位置將同時(shí)改變反饋相位和功率，需反復(fù)湊試才能獲得最佳結(jié)構(gòu)位置。
振蕩器的設(shè)計(jì)包括輸出匹配電路和輸入匹配電路，介質(zhì)諧振器與微帶線耦合以及到FET的距離L等。我們通過ADS軟件仿真，做試驗(yàn)，反復(fù)仿真、做試驗(yàn)驗(yàn)證，最后達(dá)到的介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：
①本脈振標(biāo)稱頻率：
10．75GHz±1MHz
②本振穩(wěn)定度：
10．75GHz±2MHz
(一40℃—+60℃)
③本振相位噪聲：
≥60dB(@／1KHz)
≥85dB(@／10KHz)
≥lOOdB(@／100KHz)
④一本振泄露電平：
≤一50dBmw
4饋源設(shè)計(jì)
按照Ku波段一體化高頻頭的要求，需要將反射面天線的饋源與下變頻器設(shè)計(jì)成一體，下行信號(hào)被天線饋源接收后通過波導(dǎo)同軸變換直接送入下變頻器，完成頻率轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中天線饋源使用圓錐波紋喇叭，采用變槽深、槽寬的寬帶技術(shù)，使之在帶寬為1．05GHz的信號(hào)頻帶寬內(nèi)擁有良好的VSWR和輻射特性。HI SS仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果見圖1、2、3。
由于衛(wèi)星高頻頭工作于室外，其工作溫度范圍應(yīng)達(dá)到一40?C～60℃，相對(duì)濕度應(yīng)滿足10％--100％，饋源口應(yīng)做密水處理。
產(chǎn)品創(chuàng)新性、先進(jìn)性
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1． 腔體的雙饋源設(shè)計(jì)
根據(jù)客戶的要求，他們需要同時(shí)接收兩顆衛(wèi)星上的信號(hào)。針對(duì)客戶的特殊要求，在產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)中我們采用了雙饋源的設(shè)計(jì)方案來實(shí)現(xiàn)同時(shí)接收兩顆星的信號(hào)，利用反射面天線偏焦饋電技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)夾角有一定度數(shù)的波束。．(分別用—個(gè)饋源接收一顆衛(wèi)星上的信號(hào))。在設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)解決兩顆衛(wèi)星信號(hào)波束相互干擾等問題。
2． 低噪聲
使用Microwave office和ADS進(jìn)行仿真和優(yōu)化，設(shè)計(jì)的Ku波段高頻頭的總噪聲系數(shù)NF≤0.8dB。
3． 功耗低
高頻頭的未來發(fā)展趨勢(shì)之一是低功耗，在輸入電壓為l3／18V的情況下，我們研發(fā)的Ku雙饋源高頻頭由于采用集成度高，低電流的管子，使其整機(jī)的供電電流Imax<120mA。
4． 新穎性
該產(chǎn)品由四創(chuàng)公司獨(dú)立自主研發(fā)，從腔體和饋源口的設(shè)計(jì)、方案選擇、電路設(shè)計(jì)、元器件的選用、PCB板制作和產(chǎn)品外觀的設(shè)計(jì)上，在國內(nèi)外市場上尚無雷同產(chǎn)品，其新穎獨(dú)特的外型必將受到廣大客戶的認(rèn)同。
5． 利潤高
設(shè)計(jì)中我們大量采用國產(chǎn)和臺(tái)灣的元器件，嚴(yán)格控制產(chǎn)品的成本。產(chǎn)品的材料成本小于5美金，而在國外市場該產(chǎn)品的售價(jià)約為10美金左右。利潤空間較大。
6．可靠性好
由于衛(wèi)星高頻頭為室外使用產(chǎn)品，工作環(huán)境惡劣，對(duì)產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)有很高的要求。為確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)確認(rèn)過程中我們完成了以下試驗(yàn)：
(1)24小時(shí)浸水試驗(yàn)——未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象：
(2)—40 ℃和60 ℃連續(xù)拷機(jī)l 2個(gè)小時(shí)——本振穩(wěn)定在f0±1．5MHz內(nèi)．無自激現(xiàn)象：
(2) 室外通電連續(xù)工作30個(gè)工作日——性能指標(biāo)正常。無異?，F(xiàn)象出現(xiàn)。
通過以上的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了產(chǎn)品在客戶端的使用可靠性。
總結(jié)
通過我們十幾年在高頻頭行業(yè)的技術(shù)、生產(chǎn)、市場等各方沉淀，形成的對(duì)高頻頭產(chǎn)品的深刻見解，以客戶實(shí)際使用為客觀條件，成功開發(fā)了一款Ku波段雙饋源衛(wèi)星高頻頭，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過與國際市場上同類產(chǎn)品相比，我們研發(fā)的雙饋源Ku高頻頭在噪聲系數(shù)、本振穩(wěn)定度、增益平坦度等主要性能指標(biāo)上，擁有明顯的性能指標(biāo)優(yōu)勢(shì)，是一款優(yōu)良的高性價(jià)比的Ku波段下變頻器。產(chǎn)品目前在國內(nèi)技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，在國際上也是很右競爭優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品。
四創(chuàng)公司作為國家衛(wèi)星高頻頭的定點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)各種衛(wèi)星高頻頭500多萬只。Ku波段雙饋源高頻頭的成功研發(fā)必將進(jìn)一步鞏固四創(chuàng)公司在行業(yè)中的領(lǐng)先地位，完善公司高頻頭產(chǎn)品的系列化，并增加公司產(chǎn)品在市場上的占有率，提高中高端產(chǎn)品在銷售收入中的比重，為企業(yè)創(chuàng)造更多的利潤。
