隨著全球直播衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，國際市場一些BSS(衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù))和FSS（衛(wèi)星固定業(yè)務(wù))用戶有對一點同時接收兩顆衛(wèi)星信號LNB的要求。根據(jù)客戶反映和我們的市場開拓人員辛苦調(diào)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(fā)達國家．如歐,、美市場。本文和要介紹了我研發(fā)的一款K u波段雙竣源高頻頭的設(shè)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(shù)：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(wěn)定度：f±2MHz

(7)載波互調(diào)比：>140 dB

(8)增益穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(huán)境適應(yīng)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(huán)境條件中應(yīng)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(huán)境中應(yīng)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(tǒng)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(wèi)星傳輸?shù)南滦行盘柦?jīng)過天線聚集放大后傳送到LNB饋源波導(dǎo)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(jīng)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(wèi)星接收機完成QPSK解調(diào)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(wèi)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(shè)計

1． 場效應(yīng)管低噪聲放大器(FET LNA)

在設(shè)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(wěn)定性,、功率增益,、噪聲系數(shù)、輸出功率,、輸入和輸出電壓駐波比,、動態(tài)范圍、功率增益帶內(nèi)平坦度等,。本產(chǎn)品的低噪聲放大器采用的是NEC公司的NE4210S01場效應(yīng)管低噪聲放大器,。場效應(yīng)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(shè)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(wǎng)絡(luò)可以用接在無噪聲兩端口網(wǎng)絡(luò)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?shù)脑肼曅盘栕钚?，假如以電流噪聲為主，則連接一個低的源阻抗會使傳輸?shù)脑肼曅盘栕钚?。當兩種噪聲源同時存在時,，從電路的最小噪聲系數(shù)將得出一個特定的源導(dǎo)納(或源阻抗)，稱之為最佳源導(dǎo)納,。利角史密斯圓圖可以給出輸入導(dǎo)納或阻抗平面上的等噪聲系數(shù)圓,。我們用下面的關(guān)系式來描述噪聲系數(shù)是如何偏離最小值而增加的：

F2Fmin+lKn／Gs】Ys-YoI

式中，F(xiàn)=噪聲系數(shù),，F(xiàn)min=最小噪聲系數(shù),，Rn=等效噪聲電阻，Yo=給出最小噪聲系數(shù)的最佳源導(dǎo)納=Go+jBo,Ys=源導(dǎo)納,。

多級級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)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(shù)對整個高頻頭產(chǎn)品的噪聲系數(shù)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(shù)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(yōu)化仿真,，再通過精心的調(diào)試，經(jīng)過幾次試驗調(diào)試,。最后達到了我們的設(shè)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(shè)計

(1)帶通濾波器的主要技術(shù)指標：

①通帶邊界頻率與通帶內(nèi)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(shè)計步驟

我們采用ADS軟件來設(shè)計該濾波器,，設(shè)計步驟包括：

① 原理圖繪制

②電路參數(shù)的優(yōu)化、仿真

③版圖的仿真等

根據(jù)軟件仿真設(shè)計的結(jié)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(diào)試，再通過軟件進行仿真,，再調(diào)試,，經(jīng)過幾次的反復(fù)仿真、譯試,，使其滿足我們的設(shè)計要求,。

我們設(shè)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(nèi)衰減小于3dB

③通帶內(nèi)起伏小于ldB

④阻帶衰減大于30dB

3．介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的設(shè)計

介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器是利用微波介質(zhì)諧振器做為高Q腔對FET振蕩器進行穩(wěn)頻的振蕩器。近年來,，用作介質(zhì)諧振器的低損耗材料有了非常大的進步，介質(zhì)諧振器Q值已接近金屬空腔諧振器,，而且它的溫度系數(shù)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?shù)淖饔茫虼丝梢垣@得很高的頻率穩(wěn)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(shè)計的介質(zhì)穩(wěn)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(yīng)管做為振蕩管，介質(zhì)振蕩器用做高Q穩(wěn)頻腔,，這種的設(shè)計方案其主要優(yōu)點是一次產(chǎn)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(jié)構(gòu)簡單,、功耗低,、元氣件數(shù)量少、可靠性高,。

介質(zhì)振蕩器的基本原理是在不加介質(zhì)諧振器時,，F(xiàn)ET電路是微波放大器的工作狀態(tài)，此時沒有振蕩,，為獲得自激振蕩,，把介質(zhì)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(chǎn)生振蕩,。介質(zhì)諧振器相當于窄帶帶通濾波器，在介質(zhì)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(zhì)的位置將同時改變反饋相位和功率,，需反復(fù)湊試才能獲得最佳結(jié)構(gòu)位置,。

振蕩器的設(shè)計包括輸出匹配電路和輸入匹配電路，介質(zhì)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(fù)仿真,、做試驗驗證,，最后達到的介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的主要設(shè)計指標如下：

①本脈振標稱頻率：

10．75GHz±1MHz

②本振穩(wěn)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(shè)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(shè)計成一體,，下行信號被天線饋源接收后通過波導(dǎo)同軸變換直接送入下變頻器,，完成頻率轉(zhuǎn)換。設(shè)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(shù)，使之在帶寬為1．05GHz的信號頻帶寬內(nèi)擁有良好的VSWR和輻射特性,。HI SS仿真設(shè)計的結(jié)果見圖1,、2、3,。

由于衛(wèi)星高頻頭工作于室外,，其工作溫度范圍應(yīng)達到一40?C～60℃，相對濕度應(yīng)滿足10％--100％,，饋源口應(yīng)做密水處理,。

產(chǎn)品創(chuàng)新性、先進性

1． 腔體的雙饋源設(shè)計

根據(jù)客戶的要求,，他們需要同時接收兩顆衛(wèi)星上的信號,。針對客戶的特殊要求,，在產(chǎn)品方案的設(shè)計中我們采用了雙饋源的設(shè)計方案來實現(xiàn)同時接收兩顆星的信號，利用反射面天線偏焦饋電技術(shù)實現(xiàn)兩個夾角有一定度數(shù)的波束,。．(分別用—個饋源接收一顆衛(wèi)星上的信號),。在設(shè)計過程中需要重點解決兩顆衛(wèi)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(yōu)化,，設(shè)計的Ku波段高頻頭的總噪聲系數(shù)NF≤0.8dB,。

3． 功耗低

高頻頭的未來發(fā)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(fā)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(chǎn)品由四創(chuàng)公司獨立自主研發(fā),，從腔體和饋源口的設(shè)計、方案選擇,、電路設(shè)計,、元器件的選用、PCB板制作和產(chǎn)品外觀的設(shè)計上,，在國內(nèi)外市場上尚無雷同產(chǎn)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(shè)計中我們大量采用國產(chǎn)和臺灣的元器件,，嚴格控制產(chǎn)品的成本,。產(chǎn)品的材料成本小于5美金，而在國外市場該產(chǎn)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(wèi)星高頻頭為室外使用產(chǎn)品，工作環(huán)境惡劣,，對產(chǎn)品的可靠性指標有很高的要求,。為確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性，在設(shè)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(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象：

(2)—40 ℃和60 ℃連續(xù)拷機l 2個小時——本振穩(wěn)定在f0±1．5MHz內(nèi)．無自激現(xiàn)象：

(2) 室外通電連續(xù)工作30個工作日——性能指標正常,。無異常現(xiàn)象出現(xiàn),。

通過以上的實驗檢驗了產(chǎn)品在客戶端的使用可靠性,。

總結(jié)

通過我們十幾年在高頻頭行業(yè)的技術(shù)、生產(chǎn),、市場等各方沉淀,，形成的對高頻頭產(chǎn)品的深刻見解，以客戶實際使用為客觀條件,，成功開發(fā)了一款Ku波段雙饋源衛(wèi)星高頻頭,，實現(xiàn)了設(shè)計指標,。通過與國際市場上同類產(chǎn)品相比，我們研發(fā)的雙饋源Ku高頻頭在噪聲系數(shù),、本振穩(wěn)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(yōu)勢,，是一款優(yōu)良的高性價比的Ku波段下變頻器,。產(chǎn)品目前在國內(nèi)技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，在國際上也是很右競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品,。

四創(chuàng)公司作為國家衛(wèi)星高頻頭的定點生產(chǎn)企業(yè),，年產(chǎn)各種衛(wèi)星高頻頭500多萬只。Ku波段雙饋源高頻頭的成功研發(fā)必將進一步鞏固四創(chuàng)公司在行業(yè)中的領(lǐng)先地位,，完善公司高頻頭產(chǎn)品的系列化,，并增加公司產(chǎn)品在市場上的占有率，提高中高端產(chǎn)品在銷售收入中的比重,，為企業(yè)創(chuàng)造更多的利潤,。