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Ku波段衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)研究論文
摘要:論述了一種Ku波段衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器的實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)途徑,包括變頻單元和信道處理單元兩部分。對(duì)一些主要部件進(jìn)行了簡(jiǎn)要的理論分析,并給出微波電路仿真結(jié)果和設(shè)計(jì)形式,最后得出轉(zhuǎn)發(fā)器的測(cè)試結(jié)果。
關(guān)鍵詞：:Ku波段；衛(wèi)星通信；轉(zhuǎn)發(fā)器；自動(dòng)增益控制
衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器是通信衛(wèi)星和中繼衛(wèi)星的核心,依據(jù)是否對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)進(jìn)行處理,可將轉(zhuǎn)發(fā)器分為“透明”轉(zhuǎn)發(fā)器和“處理”轉(zhuǎn)發(fā)器[1]。透明轉(zhuǎn)發(fā)器收到地面發(fā)來的信號(hào),除進(jìn)行低噪聲放大、變頻、功率放大外不做任何加工處理,它對(duì)工作頻帶內(nèi)的任何信號(hào)都是“透明”的通路;處理轉(zhuǎn)發(fā)器除了轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)外,還具有信號(hào)處理功能。星上的信號(hào)處理,主要包括對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)再生和其它的信號(hào)變換和處理,再就是在多波束通信中對(duì)信號(hào)進(jìn)行星上切換和處理[2]。本文設(shè)計(jì)了一種用于中繼衛(wèi)星的全透明轉(zhuǎn)發(fā)器,依據(jù)不同用戶星的軌道需求,具有增益調(diào)節(jié)功能,可進(jìn)行發(fā)射功率的調(diào)整。
1轉(zhuǎn)發(fā)器組成和指標(biāo)要求
Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器主要由變頻單元和信道處理單元兩部分組成,轉(zhuǎn)發(fā)器的變頻體制按其變頻次數(shù)可分為一次變頻和二次變頻。本文采用一次變頻體制,具有無頻譜倒置、集成度高、性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。變頻單元和信道處理單元原理框圖分別如圖1和圖2所示。根據(jù)原理框圖,變頻單元主要由混頻模塊、本振放大模塊、中頻放大模塊和電源部分組成;信道處理單元主要由可變?cè)鲆娣糯竽K、檢波增益控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和電源部分組成。
2關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)與測(cè)試
2.1本振放大模塊設(shè)計(jì)
2.1.1匹配電路設(shè)計(jì)在源和負(fù)載之間插入一個(gè)無源匹配網(wǎng)絡(luò),可以使負(fù)載阻抗與源阻抗相匹配,從而實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸。在低頻頻段采用分立元件網(wǎng)絡(luò)就能實(shí)現(xiàn),而在射頻頻段,分立元件的寄生參數(shù)效應(yīng)就變得更加明顯,通常采用微帶線和微帶短截線等分布參數(shù)元件來代替分立元件而構(gòu)成匹配網(wǎng)絡(luò)[3]。2.1.2電路仿真優(yōu)化及測(cè)試設(shè)計(jì)選定放大器靜態(tài)工作點(diǎn)為Vds=2V,Ids=10mA,采用陶瓷基板,介電常數(shù)εr=9.8,基板厚度H=0.254mm。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件ADS進(jìn)行原理圖和版圖仿真,根據(jù)仿真結(jié)果可知放大器在整個(gè)工作頻帶內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定。經(jīng)過測(cè)試得到本振放大器在需要的信號(hào)帶寬內(nèi)增益大于20dB,增益波動(dòng)小于±0.2dB,滿足設(shè)計(jì)要求。
2.2信道處理單元設(shè)計(jì)
Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器信道處理單元完成射頻信號(hào)的衰減、增益放大、限幅放大、功率檢波和功率衰減等功能,具有自動(dòng)增益控制工作模式和線性放大工作模式。設(shè)計(jì)信道處理單元在自動(dòng)增益控制工作模式時(shí)增益為30.5dB,線性工作模式時(shí)增益為23.5dB,增益變化如圖3所示。
2.3Ku波段腔體濾波器設(shè)計(jì)與測(cè)試
Ku波段腔體濾波器各諧振單元之間主要是通過磁場(chǎng)進(jìn)行耦合。根據(jù)濾波器的通帶頻率選擇已知電磁場(chǎng)解的諧振單元,構(gòu)造單腔。實(shí)際濾波器中單個(gè)腔體的尺寸一致;再利用三維全波電磁仿真軟件AnsoftHFSS進(jìn)行本征模分析,本征模式是結(jié)構(gòu)的諧振頻率,基于有限元算法的HFSS采用本征模式求解器求出該結(jié)構(gòu)的諧振頻率[4]。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)濾波器進(jìn)行測(cè)試,實(shí)測(cè)結(jié)果是帶內(nèi)插損＜2.5dB,回波損耗＜-20dB,-1dB帶寬＞50MHz,帶外抑制f0±200MHz＞50dBc,理論仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果較吻合。3Ku波段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器測(cè)試結(jié)果該轉(zhuǎn)發(fā)器已完成樣機(jī)研制,經(jīng)測(cè)試各項(xiàng)性能均達(dá)到或優(yōu)于指標(biāo)要求。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示,滿足設(shè)計(jì)要求。
4結(jié)語
本文研制了基于微組裝工藝的高性能本振放大器、射頻濾波器、自動(dòng)增益控制放大器和射頻濾波器等組件,實(shí)現(xiàn)了Ku/Ku射頻信號(hào)的頻譜搬移和信道處理,為進(jìn)一步開展衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器工程化研制的積累了經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)
[1]周仲林,楊建軍.通信衛(wèi)星Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)的研究[J].電訊技術(shù),1997,(2):43-55.
[2]成躍進(jìn).Ka波段通信衛(wèi)星與Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)[J].空間電子技術(shù),2000,(2):20-31.
[3]程龍寶,趙濤,黃凱旋.深空探測(cè)X波段低噪聲放大器研究和設(shè)計(jì)[C].中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)委員會(huì)第八屆學(xué)術(shù)年會(huì),2011,(10):434-438.
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