- Ku波段雙饋源高頻頭的設計
- 將反射面天線的饋源與下變頻器設計成一體
- 開發了一款Ku波段雙饋源衛星高頻頭
隨著全球直播衛星產業的發展，國際市場一些BSS(衛星廣播業務)和FSS（衛星固定業務)用戶有對一點同時接收兩顆衛星信號LNB的要求。根據客戶反映和我們的市場開拓人員辛苦調研，Ku波段雙饋源高頻頭在國際市場的需求量很大，特別是在一些發達國家．如歐、美市場。本文和要介紹了我研發的一款K u波段雙竣源高頻頭的設計方法。
項目要求的主要性能指標
1．性能指標要求
(1)輸入頻率：11 7 12．75GHz
(2)噪聲系數：NF≤0．8dB
(3)增益：G=55±5dB
(4)鏡像抑制：≥30dB
(5)本振標稱頻率：10．75 GHz_1MHz
(6)本振穩定度：f±2MHz
(7)載波互調比：>140 dB
(8)增益穩定度：≤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．結構要求
樣品腔體采用鋁壓鑄件，腔體表面采用噴塑工藝處理。
3．環境適應要求
(1)溫度要求
高頻頭工作溫度范圍一40℃—+60℃
(2)濕度要求
高頻頭在相對濕度5％一l00％的環境條件中應能正常工作：
(3)大氣壓要求
高頻頭在以下大氣壓條件下的環境中應能正常工作：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，其將衛星傳輸的下行信號經過天線聚集放大后傳送到LNB饋源波導輸入，再通過耦臺探針(或耦合微帶傳輸線)輸入到高頻放大器，經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．再和本振信號混頻差頻出中頻信號，輸出信號通過電纜送入衛星接收機完成QPSK解調和MPEG一2解碼工作．以A／v信號的模式提供給電視機。用戶可以通過控制信號選擇所需要的兩顆衛星上任意一個星上的信號。
Ku波段雙饋源高頻頭主要單元電路設計
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1． 場效應管低噪聲放大器(FET LNA)
在設計一個放大器電路時，需要考慮到的特性很多，但最重要的是穩定性、功率增益、噪聲系數、輸出功率、輸入和輸出電壓駐波比、動態范圍、功率增益帶內平坦度等。本產品的低噪聲放大器采用的是NEC公司的NE4210S01場效應管低噪聲放大器。場效應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。
(1) 第一級F盯LNA的設計
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絡可以用接在無噪聲兩端口網絡輸入端的一個噪聲電壓源和一個噪聲電流源來表示。假女Il電路以電壓噪聲為主．則采用一個高的源阻抗會使傳輸的噪聲信號最小，假如以電流噪聲為主，則連接一個低的源阻抗會使傳輸的噪聲信號最小。當兩種噪聲源同時存在時，從電路的最小噪聲系數將得出一個特定的源導納(或源阻抗)，稱之為最佳源導納。利角史密斯圓圖可以給出輸入導納或阻抗平面上的等噪聲系數圓。我們用下面的關系式來描述噪聲系數是如何偏離最小值而增加的：
F2Fmin+lKn／Gs】Ys-YoI
式中，F=噪聲系數，Fmin=最小噪聲系數，Rn=等效噪聲電阻，Yo=給出最小噪聲系數的最佳源導納=Go+jBo,Ys=源導納。
多級級聯放大器的噪聲系數計算公式如下：
NF=NFl+(NF2—1)，Gl+((NF3—1)／Gl G2+…．
從以上的公式可知，第一級放大器的噪聲系數對整個高頻頭產品的噪聲系數的大小會起到一個決定性的作用。
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，其介電常數是3．38-+0 05，厚度是0．5mm，損耗角正切是0．0027。我們使用先進的微波電路仿真軟件ADS進行優化仿真，再通過精心的調試，經過幾次試驗調試。最后達到了我們的設計要求，高頻頭的整機噪聲小于0．8dB，如下圖所示：
2．微帶帶通濾波器的設計
(1)帶通濾波器的主要技術指標：
①通帶邊界頻率與通帶內衰減、起伏
②阻帶邊界頻率與阻帶衰減
(2)微帶帶通濾波器的設計步驟
我們采用ADS軟件來設計該濾波器，設計步驟包括：
① 原理圖繪制
②電路參數的優化、仿真
③版圖的仿真等
根據軟件仿真設計的結果繪制電路版圖，并加工成電路板。我們對加工好的電路進行調試，再通過軟件進行仿真，再調試，經過幾次的反復仿真、譯試，使其滿足我們的設計要求。
我們設計的帶通濾波器達到的主要指標如下：
①通帶頻率：11.7——l2．75GHz
②通帶內衰減小于3dB
③通帶內起伏小于ldB
④阻帶衰減大于30dB
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3．介質穩頻振蕩器的設計
介質穩頻振蕩器是利用微波介質諧振器做為高Q腔對FET振蕩器進行穩頻的振蕩器。近年來，用作介質諧振器的低損耗材料有了非常大的進步，介質諧振器Q值已接近金屬空腔諧振器，而且它的溫度系數可以利用不同的材料配方來控制，以使其達到和FET電路相互補償的作用，因此可以獲得很高的頻率穩定度。而且它的體積小、重量輕，容易和微帶電路部件集成使用。我們設計的介質穩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管做為振蕩管，介質振蕩器用做高Q穩頻腔，這種的設計方案其主要優點是一次產生主振功率，沒有低于主振頻率的分諧波干擾，而且體積小、結構簡單、功耗低、元氣件數量少、可靠性高。
介質振蕩器的基本原理是在不加介質諧振器時，FET電路是微波放大器的工作狀態，此時沒有振蕩，為獲得自激振蕩，把介質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，當反饋相位和反饋功率合適時將產生振蕩。介質諧振器相當于窄帶帶通濾波器，在介質諧振器的中心頻率上，反饋最強，相位合適。改變柵極和漏極微帶線的夾角和介質的位置將同時改變反饋相位和功率，需反復湊試才能獲得最佳結構位置。
振蕩器的設計包括輸出匹配電路和輸入匹配電路，介質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，反復仿真、做試驗驗證，最后達到的介質穩頻振蕩器的主要設計指標如下：
①本脈振標稱頻率：
10．75GHz±1MHz
②本振穩定度：
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饋源設計
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計成一體，下行信號被天線饋源接收后通過波導同軸變換直接送入下變頻器，完成頻率轉換。設計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，使之在帶寬為1．05GHz的信號頻帶寬內擁有良好的VSWR和輻射特性。HI SS仿真設計的結果見圖1、2、3。
由于衛星高頻頭工作于室外，其工作溫度范圍應達到一40?C～60℃，相對濕度應滿足10％--100％，饋源口應做密水處理。
產品創新性、先進性
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1． 腔體的雙饋源設計
根據客戶的要求，他們需要同時接收兩顆衛星上的信號。針對客戶的特殊要求，在產品方案的設計中我們采用了雙饋源的設計方案來實現同時接收兩顆星的信號，利用反射面天線偏焦饋電技術實現兩個夾角有一定度數的波束。．(分別用—個饋源接收一顆衛星上的信號)。在設計過程中需要重點解決兩顆衛星信號波束相互干擾等問題。
2． 低噪聲
使用Microwave office和ADS進行仿真和優化，設計的Ku波段高頻頭的總噪聲系數NF≤0.8dB。
3． 功耗低
高頻頭的未來發展趨勢之一是低功耗，在輸入電壓為l3／18V的情況下，我們研發的Ku雙饋源高頻頭由于采用集成度高，低電流的管子，使其整機的供電電流Imax<120mA。
4． 新穎性
該產品由四創公司獨立自主研發，從腔體和饋源口的設計、方案選擇、電路設計、元器件的選用、PCB板制作和產品外觀的設計上，在國內外市場上尚無雷同產品，其新穎獨特的外型必將受到廣大客戶的認同。
5． 利潤高
設計中我們大量采用國產和臺灣的元器件，嚴格控制產品的成本。產品的材料成本小于5美金，而在國外市場該產品的售價約為10美金左右。利潤空間較大。
6．可靠性好
由于衛星高頻頭為室外使用產品，工作環境惡劣，對產品的可靠性指標有很高的要求。為確保產品的穩定性，在設計確認過程中我們完成了以下試驗：
(1)24小時浸水試驗——未發現滲漏現象：
(2)—40 ℃和60 ℃連續拷機l 2個小時——本振穩定在f0±1．5MHz內．無自激現象：
(2) 室外通電連續工作30個工作日——性能指標正常。無異常現象出現。
通過以上的實驗檢驗了產品在客戶端的使用可靠性。
總結
通過我們十幾年在高頻頭行業的技術、生產、市場等各方沉淀，形成的對高頻頭產品的深刻見解，以客戶實際使用為客觀條件，成功開發了一款Ku波段雙饋源衛星高頻頭，實現了設計指標。通過與國際市場上同類產品相比，我們研發的雙饋源Ku高頻頭在噪聲系數、本振穩定度、增益平坦度等主要性能指標上，擁有明顯的性能指標優勢，是一款優良的高性價比的Ku波段下變頻器。產品目前在國內技術上處于領先地位，在國際上也是很右競爭優勢的產品。
四創公司作為國家衛星高頻頭的定點生產企業，年產各種衛星高頻頭500多萬只。Ku波段雙饋源高頻頭的成功研發必將進一步鞏固四創公司在行業中的領先地位，完善公司高頻頭產品的系列化，并增加公司產品在市場上的占有率，提高中高端產品在銷售收入中的比重，為企業創造更多的利潤。
