Ka頻段衛(wèi)星地面站接收信道設(shè)計

1 引言

進入21世紀，隨著信息全面化及全球巨大的個人多媒體通信流量與無縫隙覆蓋需求，衛(wèi)星通信已成為當(dāng)今世界上最重要的通信手段之一，它發(fā)揮著愈來愈重要的作用。隨著低端頻率的頻譜資源及GEO衛(wèi)星軌道資源的緊缺與擁塞，已不能滿足高速、寬帶等諸多應(yīng)用的需求。由于Ka頻段以上的衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有可用帶寬寬，干擾少，設(shè)備體積小的特點，在衛(wèi)星通信及各種形式的衛(wèi)星地面站中的應(yīng)用也日益廣泛。目前在國內(nèi)地面接力通信系統(tǒng)中，Ka頻段收發(fā)射設(shè)備的技術(shù)已比較成熟。但衛(wèi)星通信地面站的收發(fā)設(shè)備的研制技術(shù)還有一定差距，因此Ka頻段衛(wèi)星通信地面站射頻單元關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備的研制刻不容緩。

2 地面站接收單元組成與工作原理

在開展Ka頻段地面站射頻單元關(guān)鍵技術(shù)的研究中，根據(jù)需求為固定站和移動站提供體積小、重量輕、成本低、高可靠性的室外單元是發(fā)展方向。地面站射頻單元由發(fā)射單元和接收單元組成。本文介紹的地面站接收單元是與Ka頻段射頻發(fā)射單元配套的下行信道部分，圖1是接收單元信道組成方框圖，來自Ka頻段地面站天線雙工器接收輸出端的20.3 GHz～20.8 GHz的射頻信號，經(jīng)低噪聲放大器（LNA）放大，然后接入通帶為20.3~20.8 GHz的帶同濾波器，此帶通濾波器對鏡頻和其它帶外雜波有較強的抑制特性。然后與Ka波段接收鎖相本振源輸出的19.35 GHz的本振信號進行單平衡混頻，其差頻信號即為950 MHz~1 450 MHz的L頻段中頻信號，經(jīng)通帶為950 MHz~1 450 MHz 的帶通濾波器，濾除各種組合干擾頻率信號，再經(jīng)過L波段中頻放大器放大后輸出給室內(nèi)單元(IDU)。

圖1 Ka頻段衛(wèi)星通信地面站接收信道框圖

根據(jù)Ka頻段接收單元的設(shè)計方案已知系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)為：

1）輸入頻率范圍： 20.3 GHz～20.8 GHz

2）輸出頻率范圍： 950 MHz～1 450 MHz

3）LNA噪聲系數(shù)： ≤2.5 dB

4）鏡頻抑制： ≥60 dB

5）雜散輸出： -50 dBc（500 MHz帶內(nèi)） -60 dBc（500 MHz帶外）

3 接收單元設(shè)計思想

隨著半導(dǎo)體及集成技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)備的集成化程度越來越高。在Ka頻段已有滿足要求的低噪聲放大器、混頻器等集成模塊，可以直接應(yīng)用到系統(tǒng)中。所以在Ka頻段接收單元在設(shè)計過程中實現(xiàn)小型化、模塊化、和通用化的設(shè)計思路貫穿始終。在系統(tǒng)設(shè)計中關(guān)鍵部件均選用相應(yīng)的單片集成（MMIC）模塊，因此使得系統(tǒng)的研制即節(jié)省了時間又保證了設(shè)備的可維修性，同時提高了可靠性。接收單元中關(guān)鍵部件就是低噪聲放大器，它要具有低噪聲系數(shù)、高增益、大動態(tài)范圍的特點。綜合考慮選用了Triqunt司的低噪聲集成放大器TGA1319A-EPU；其次單邊帶下變頻混頻器采用Hittite公司的單片集成平衡混頻模塊HMC260；中頻放大器也采用了相應(yīng)的集成模塊。為了能使混頻器產(chǎn)生的鏡頻和其它帶外雜散得到很好的抑制，輸入帶通濾波器采用了帶外抑制很強的E面波導(dǎo)金屬膜片帶通濾波器。Ka頻段接收單元的電路組成結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 接收信道電路圖

4 接收單元仿真設(shè)計及指標(biāo)分析

4.1 接收單元拓撲電路

在設(shè)備進入實質(zhì)性的設(shè)計與研制之前應(yīng)用EDA軟件對系統(tǒng)進行仿真優(yōu)化設(shè)計，參照接收單元的主要技術(shù)指標(biāo)要求及選用的各個器件。應(yīng)用ADS微波設(shè)計軟件對接收單元的信道部分進行了系統(tǒng)仿真優(yōu)化設(shè)計。接收單元的仿真拓撲電路見圖3，根據(jù)拓撲電路選擇相應(yīng)的Simulation Controller對接收信道的主要指標(biāo)分別進行仿真優(yōu)化，并得出仿真結(jié)果。

圖3 接收信道仿真拓撲電路