卫星天线的防雷保护设计解决方案

用于电视/宽带服务广播信号的通信卫星主要使用两个工作频段，即C、Ku。C频段的频率范围为4.0 GHz-8.0 GHz，而Ku频段的频率范围是10.7 GHz-18.4 GHz。

在这两个频带内，每个卫星都分配有专门的上行链路和下行链路频率。C频段下行频率是3.7 GHz-4.2 GHz，上行频率是 5.925 GHz-6.425 GHz。Ku频段的下行频率是10.7GHz-12.75GHz，上行频率是17.3GHz-17.8GHz.。

为了尽可能高效地利用卫星广播的可用频段，并在给定频段内容纳更多的信道，在某个频率上，传输信号可以同时被垂直和水平极化，或右旋和左旋圆极化。

避雷保护电路的设计师在任何情况下都必须确保这一功能的完整无缺。

低噪声模块（LNB）

LNB是一个低噪声模块，放置在卫星盘状天线（抛物柱面）的焦点上，提供以下功能：

1．入射信号从GHz 降频转换到910 MHz-2150 MHz （欧洲）频率范围，又称为“最初转换信号”。这种转换允许信号通过廉价的同轴电缆传输到接收机。

2．具有良好噪声系数的信号放大。LNB利用内建的低噪声放大器提高了最初转换信号的电平。

3．垂直或水平极化的选择。

4．当LNB“接收到”一个22 kHz单频信号（tone）后，通过将其内部振荡器从低频段转换到高频段来选择工作频段。比如，本振（LO）频率从9.75 GHz 变换到10.6 GHz（C 频段，LO 频率 为9.75 GHz；Ku 频段，LO 频率为 10.6 GHz）。

5．基于22 kHz 单频信号 PPM编码的各种功能，本文稍后讨论。

极化选择

极化是一种规定信号传输方向的方法。它增强了波束强度。

卫星发射的信号可以用四种方式进行极化：线极化（水平或垂直）或圆极化（左旋或右旋）。因此，卫星在某个频率上可以传播H 和 V 或 LH 和 RH极化信号。

“通用的”LNB根据它从接收器那里接收到的电压来变换极化方式。一般而言，一类天线只适用于13V 和 18V两种信号电压。13V信号（范围从11.5 到 14V）采用垂直极化或右旋圆极化（RHCP）方式。18V信号（范围从15.5 到 21V）采用水平极化或左旋圆极化（LHCP）方式。此外，可以把来自接收器的1V电压增添到上述任一电压上，以补偿同轴电缆中的电压损失。

图1 OMNI-LNB架构

图3 调制方案

图4：单频波串控制信号的时序示意图

图5 ：IEC 61000-4-5电流波形

22 kHz 单频信号 和 DiSEqC编码

LNB不但需选择极化方式，还必须选择工作频段。每一个接收频段都被划分为两个频段：低频段（10.7-11.7 GHz）和高频段（11.7-12.75 GHz）。这可以利用22 kHz单频来完成，即在LNB 直流电源轨上叠加一个幅度约0.6V 的22 kHz脉冲位置调制信号。它的编码方案允许通过远端的电路来执行更复杂的功能。传统上，当其它编码功能不需要22 kHz 单频时，可以通过改变LNB的本振频率，简单地通过判断这一单频是否出现来选择工作频段。

22 kHz单频波串的复杂编码可以利用一种更加完善的称为数字卫星设备控制（DiSEqC）标准的通信协议来实现。这一开放的DiSEqC标准由欧洲电信卫星组织（European Telecommunication Satellite Organization）开发，是针对卫星接收器和卫星外围设备间通信的一种被广泛接受的全球标准。

22 kHz振荡器必须是一个具有特定的上升和下降时间的单频信号发生器。其波形是准方波（平顶正弦波）。随线路和温度变化的频率容差为2 kHz 。

需要防雷保护

LNB通过卫星机顶盒进行远程供电。通过同一根同轴电缆把IF信号从LNB传输到接收器，并把接收器的功率传输到LNB。一个专用的LNB电压调节芯片产生13V到18V的直流电压。雷击对同轴电缆或天线的任何伤害都会损害到这一变压器，在其上会产生很大的浪涌电流和浪涌电压。

根据IEC 61000-4-5标准，这种浪涌效应可以被模拟出来。

在雷击事件中，LNB电压调节芯片处的浪涌电流输入的范围从250 A（遭到3kV的雷击时）到 500A（6kV的雷击时）。而该款IC不能承受如此高的能量。

为了符合IEC规范并保护LNB电压调节芯片免受任何来自雷击事件的伤害，需要在该芯片前面加一个专用的优化保护器件。

设计解决方案参数

需找到一种基于分割方法的解决方案来提供最适合的保护器件，使各种不同的LNB电压调节芯片具有最大的绝对额定指标。根据应用中所用的LNB电压调节芯片类型，以及雷击浪涌测试结果，可以采取一种不同的解决方案来优化总体解决方案的成本和鲁棒性。在选择解决方案时，需特别考虑到下列特性。图6所示为+4 kV浪涌测试（带有一个串联电阻的标准的 IEC61000-4-5）。关于如何在LNB电压调节芯片的成本和防雷保护间进行折衷，请参见应用范例示意图（图7）。

图6：浪涌测试+4 kV

图7：应用范例示意图

表1 频段和极化方式选择表