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Ku波段双馈源高频头的设计
日期:2011-11-11 10:19:20 阅读:   来源:李勇

随着全球直播卫星产为业的发展,国际市场市场一些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的LNB的要求。根据客户反映和我们的市场开拓人品辛苦调研,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。本文主要介绍了我研发的一款K u波段双馈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:/>40 dB
(8)增益稳定度:≤0.5dB(@/36MHz)
(9)输出频率:950"2000MHz
(10)一本振泄露电平:,<-50dBmW
(11)本振相位噪声:一>60dB(@/1KHz) ≥85dB(@/10KHz)
≥100dB(@/IOOKHz)
(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-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——l06KPa

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,再通过耦合探针(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R.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。

2. 系统框图如(图1)

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FET 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。假如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。利用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:

F=F1T1in+Rn/Gsl Ys—Yo 1 式中,F=噪声系数,Fmin=最小噪声系数。Kn=等效噪声电阻,Yo=给出最小噪声系数的最佳源导纳=Go+jB,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.o5厚度是0.5mnl,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(图2)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
② 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、调试,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:ll.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:

⑴本振标称频率:l0.75GHz±1MHz
(2)本振稳定度:
10.75GHz±2MHz(一40’c——+60℃)
(3)本振相位噪声:≥60dB(@/1KHz)
≥85dB(@/10KHz)
≥100dB(@/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VSWP、和辐射特性。HFSS仿真设计的结果如(图4、5、6)。

由于卫星高频头工作于室外,其工作温度范围应达到一40℃~60?C,相对湿度应满足10%一l00%,馈源口应做密水处理。

产品创新性、先进性

1.腔体的双馈源设计

根据客户的要求,他们需要同时接收两颗卫星上的信号。针对客户的特殊要求,在产品方案的设计中我们采用了双馈源的设计方案来实现同时接收两颗星的信号,利用反射面天线偏焦馈电技术实现两个夹角有一定度数的波束。(分别用一个馈源接收一颗卫星上的信号)。在设计过程中需要重点解决两颗卫星信号波束相互干扰等问题。

2低噪声

使用Microwave Office和ADS进行仿真和优化,设计的Ku波段高频头的总噪声系数NF≤0. 8dB。

4. 功耗低

高频头的未来发展趋势之一是低功耗,在输入电压为l3/18V的情况下,我们研发的Ku双馈源高频头由于采用集成度高,低电流的管子,使其整机的供电电流Imax<120mA。

4.新颖性

该产品由四创公司独立自主研发,从腔体和馈源口的设计、方案选择、电路设计、元器件的选用、PCB板制作和产品外观的设计上,在国内外市场上尚无雷同产品。其新颖独特的外型必将受到广大客户的认同。

5.利润高

设计中我们大量采用国产和台湾的元器件,严格控制产品的成本。产品的材料成本小于5美金,而在国外市场该产品的售价约为10美金左右,利润空间较大。

6.可靠性好

由于卫星高频头为室外使用产品,工作环境恶劣,对产品的可靠性指标有很高的要求。为确保产品的稳定性,在设计确认过程中我们完成了以下试验:

(1)24小时浸水试验——未发现渗漏现象:

(2)-40?c和60?c连续拷机l 2个小时——本振稳定在f0±1.5MHz内,无自激现象;

(3) 室外通电连续工作30个工作日——性能指标正常,无异常现象出现。

通过以上的实验检验了产品在客户端的使用可靠性。

关键技术及解决途径

1.腔体的双馈源设计

根据客户的要求,他们需要同时接收两颗卫星上的信号。针对客户的特殊要求,在产品方案的设计中我们采用了双馈源的设计方案来实现同时接收两颗星的信号,利用反射面天线偏焦馈电技术实现两个夹角有一定度数的波束。(分别用一个馈源接收一颗卫星上的信号)。在设计过程中需要重点解决两颗卫星信号波束相互干扰等问题。

总结

通过我们十几年在高频头行业的技术、生产、市场等各方沉淀,形成的对高频头产品的深刻见解,以客户实际使用为客观条件,成功开发了一款Ku波段双馈源卫星高频头,读现了设计指标。通过与国际市场上同类产品相比,我们研发的双馈源Ku高频头在噪声系数、本振稳定度、增益平坦度等主要性能指标上,拥有明显的性能指标优势,是一款优良的高性价比的Ku波段下变频器。产品目前在国内技术上处于领先地位。在国际上也是很有竞争优势的产品。

四创公司作为国家卫星高频头的定点生产企业,年产各种卫里高频头500多万只。Ku波段双馈源高频头的成功研发必将进一步巩固四创公司在行业中的领先地位,完善公司高频头产品的系列化,并增加公司产品在市场上的占有率,提高中高端产品在销售收入中的比重,为企业创造更多的利润。