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Ka波段接收前端的设计方案
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2017-11-17
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1 引言
随着电子信息技术的飞速发展，接收前端电路的集成度不断提高，同时功能也日益丰富和复杂。Ka波段接收前端技术是新一代通信卫星的关键技术，也是我国需要突破的关键技术之一 。此项技术研究对我国的新型通信卫星的研发具有重要意义。由于Ka波段接收机具有频率高、信息容量大、抗干扰性强等特点，目前我国的新型通信卫星多采用该项技术。因此，研制高性能的Ka波段接收组件迫在眉睫。
2 系统组成及工作原理
该组件主要由射频通道、混频、中频通道三个功能单元组成。射频通道的主要功能是：将射频信号进行线性放大，然后由滤波单元抑制镜像频率、带外杂波，避免干扰信号消耗混频器的动态范围，并减少到达混频器的噪声。射频信号经下变频后进入中频通道。中频通道的主要功能是：滤除本振泄漏及本振、射频的高次混出的杂波。将有用信号进行线性放大。组件原理框图如图1所示：
图1 Ka波段变频组件原理框图
组件各部分指标分配如下表1：
表1 组件各部分指标
电路
指标射频放大射频滤波射频放大混频中频滤波中频放大
输入功率（dBm）-100-85-87-72-81-82
增益（dB）15-215-9.5-112
累积增益（dB）15132818.517.529.5
累积噪声（dB）33.043.153.173.183.25
输出功率（dBm）-85-87-72-81-82-70
3 电路设计
3.1 系统设计
在此组件中，低噪声放大器看成为第一级，而后面的混频接收部件可看成为第二级，前级低噪声放大器的增益必须足够高，才能抑制掉后级噪声的影响。为兼顾噪声系数、动态范围两个指标，低噪放的增益在30dB左右较为合适。整个通道设计了增益余量及可调衰减器，便于后期整机系统调试时信道增益的调整。
在不考虑镜频噪声时，接收机的噪声系数可以用如下公式计算：
式中，Nf——放大器整机噪声系数
Nf1，Nf2，Nf3——分别是第1，2，3级的噪声系数
G1，G2——分别是第1，2级功率增益
由上表可以计算出整机指标：
整机增益：29.5dB
整机噪声系数：3.25dB
整机线性上限：-24dBm
3.2 射频单元设计
射频单元由两级低噪放芯片和镜像抑制滤波器级连而成。前级低噪放采用我所自行研制的低噪放芯片。镜像抑制滤波器位于两级低噪放之间，既可以滤除带外杂波，也能改善匹配。
组件的射频信号与镜频相隔较远，用微带镜像抑制滤波器即可以达到镜像抑制的指标。由于频率较高，微带滤波器须进行3维电磁场仿真。前级低噪声放大器的主要指标是噪声系数，所以匹配电路是按照噪声最佳来设计的，其结构必然偏离驻波比最佳的状态，因此驻波比不会很好，所以镜像抑制滤波器必须有良好的驻波，使前级低噪放和后级混频器都得到良好的匹配。
随着电子信息技术的飞速发展，接收前端电路的集成度不断提高，同时功能也日益丰富和复杂。Ka波段接收前端技术是新一代通信卫星的关键技术，也是我国需要突破的关键技术之一 。此项技术研究对我国的新型通信卫星的研发具有重要意义。由于Ka波段接收机具有频率高、信息容量大、抗干扰性强等特点，目前我国的新型通信卫星多采用该项技术。因此，研制高性能的Ka波段接收组件迫在眉睫。
2 系统组成及工作原理
该组件主要由射频通道、混频、中频通道三个功能单元组成。射频通道的主要功能是：将射频信号进行线性放大，然后由滤波单元抑制镜像频率、带外杂波，避免干扰信号消耗混频器的动态范围，并减少到达混频器的噪声。射频信号经下变频后进入中频通道。中频通道的主要功能是：滤除本振泄漏及本振、射频的高次混出的杂波。将有用信号进行线性放大。组件原理框图如图1所示：
图1 Ka波段变频组件原理框图
组件各部分指标分配如下表1：
表1 组件各部分指标
电路
指标射频放大射频滤波射频放大混频中频滤波中频放大
输入功率（dBm）-100-85-87-72-81-82
增益（dB）15-215-9.5-112
累积增益（dB）15132818.517.529.5
累积噪声（dB）33.043.153.173.183.25
输出功率（dBm）-85-87-72-81-82-70
3 电路设计
3.1 系统设计
在此组件中，低噪声放大器看成为第一级，而后面的混频接收部件可看成为第二级，前级低噪声放大器的增益必须足够高，才能抑制掉后级噪声的影响。为兼顾噪声系数、动态范围两个指标，低噪放的增益在30dB左右较为合适。整个通道设计了增益余量及可调衰减器，便于后期整机系统调试时信道增益的调整。
在不考虑镜频噪声时，接收机的噪声系数可以用如下公式计算：
式中，Nf——放大器整机噪声系数
Nf1，Nf2，Nf3——分别是第1，2，3级的噪声系数
G1，G2——分别是第1，2级功率增益
由上表可以计算出整机指标：
整机增益：29.5dB
整机噪声系数：3.25dB
整机线性上限：-24dBm
3.2 射频单元设计
射频单元由两级低噪放芯片和镜像抑制滤波器级连而成。前级低噪放采用我所自行研制的低噪放芯片。镜像抑制滤波器位于两级低噪放之间，既可以滤除带外杂波，也能改善匹配。
组件的射频信号与镜频相隔较远，用微带镜像抑制滤波器即可以达到镜像抑制的指标。由于频率较高，微带滤波器须进行3维电磁场仿真。前级低噪声放大器的主要指标是噪声系数，所以匹配电路是按照噪声最佳来设计的，其结构必然偏离驻波比最佳的状态，因此驻波比不会很好，所以镜像抑制滤波器必须有良好的驻波，使前级低噪放和后级混频器都得到良好的匹配。
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