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寬帶Ka頻段下頻段器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2017-01-12 19:34:58史本忠
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2016年11期
關(guān)鍵詞:寬帶

史本忠

摘 要:設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種用于遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的寬帶Ka頻段下變頻器。采用低本振的二次變頻方式先將Ka頻段(25~27.5 GHz,任意1 GHz帶寬)射頻信號(hào)下變頻至X頻段(7.5~8.5 GHz)射頻信號(hào),再經(jīng)X頻段下變頻至1 200±500 MHz中頻信號(hào)。本振選用鎖相環(huán)方式實(shí)現(xiàn),具有高性能、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備已用于實(shí)際工程中,測(cè)試結(jié)果可滿足遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)寬帶Ka頻段下變頻器的技術(shù)需求。

關(guān)鍵詞:遙感衛(wèi)星;接收系統(tǒng);Ka頻段;寬帶;下變頻器

中圖分類號(hào):TN927 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2016)11-00-02

0 引 言

遙感衛(wèi)星星地鏈路需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來(lái)越大,所占用的帶寬也隨之更寬,遙感信息與數(shù)據(jù)傳輸能力之間的矛盾日益凸顯[1,2]。Ka頻段可用的帶寬可以滿足較大的傳輸帶寬和較高碼速率的傳輸需要,已成為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展方向[3,4]。包括我國(guó)在內(nèi)的諸多國(guó)家已在中繼衛(wèi)星、通信衛(wèi)星采用Ka頻段下傳衛(wèi)星數(shù)據(jù),而我國(guó)也將在低軌遙感衛(wèi)星上采用Ka頻段下傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

目前,遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)普遍采用S/X頻段進(jìn)行下傳,而相應(yīng)的地面接收系統(tǒng)也基于S/X頻段來(lái)建設(shè)。為了解決遙感信息與星地鏈路數(shù)據(jù)傳輸能力之間的矛盾,現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外航天任務(wù)已由現(xiàn)在的S/X頻段向Ka頻段轉(zhuǎn)變。因此對(duì)下行鏈路的下變頻器的研制提出更高、更新的技術(shù)要求。

寬帶Ka頻段下變頻器是衛(wèi)星地面站接收系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。針對(duì)上述新的技術(shù)需求并考慮未來(lái)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種寬帶Ka頻段下變頻器。采用低本振的二次變頻技術(shù),將Ka頻段(25~27.5 GHz)1 GHz帶寬射頻信號(hào)下變頻至1.2 GHz±500 MHz中頻信號(hào)。兩個(gè)本振源均采用低本振,變頻過(guò)程無(wú)頻譜倒置。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),將Ka下變頻器分成Ka-X下變頻器模塊與X-IF下變頻器模塊,且X頻段下變頻器模塊輸入射頻按7.5~9.0 GHz設(shè)計(jì),以滿足X頻段下變頻模塊兼容接收其他X頻段衛(wèi)星的要求。

1 方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1.1 中頻頻率及干擾分析

由于Ka頻段接收鏈路帶寬需滿足1 GHz,因此目前遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)常用的720 MHz中頻,±250 MHz帶寬已不能滿足此技術(shù)的需求。同時(shí)為方便與當(dāng)前在用的調(diào)制解調(diào)器連接,提高設(shè)備的通用化程度,中頻設(shè)計(jì)為1 200 MHz± 500 MHz[5]。

寬帶Ka頻段下變頻器采用二次變頻技術(shù),先將Ka頻段(2527.5 GHz,任意1 GHz帶寬)射頻信號(hào)與本振頻率為17.5 GHz 19 GHz的信號(hào)進(jìn)行混頻,輸出的X頻段(7.5

8.5 GHz)射頻信號(hào)再與本振頻率為6 3007 800 MHz的信號(hào)混頻得到1.2 GHz±500 MHz中頻信號(hào)。

下變頻器用來(lái)選擇工作頻段,并將載波頻率降低到中頻。變頻器的二次變頻通過(guò)混頻器實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換,且在頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程中將產(chǎn)生組合頻率干擾等[6]。為防止這些頻率成分形成干擾,實(shí)現(xiàn)如期的接收功能,最優(yōu)的方法是保證組合頻率產(chǎn)物不落入中頻范圍內(nèi)或干擾電平較低,從而保證系統(tǒng)的接收性能。

采用ADS對(duì)上述下變頻方式的組合干擾進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明,對(duì)Ka-X下變頻器的組合干擾均遠(yuǎn)離所用頻帶。對(duì)X-IF下變頻器而言,2RF-2LO落在帶內(nèi),即諧波落在帶內(nèi),但抑制達(dá)到60 dBc以上,可以滿足系統(tǒng)接收性能要求;其他組合干擾均較小或遠(yuǎn)離所用頻帶。

1.2 Ka-X下變頻模塊

Ka-X下變頻模塊主要將25~27.50 GHz任意1 GHz帶寬信號(hào)下變到7.5~8.5 GHz。Ka-X下變頻模塊框圖如圖1所示。

2527.5 GHz下行信號(hào)先經(jīng)過(guò)隔離器,以確保良好的輸入駐波,然后由帶通濾波器濾除帶外無(wú)關(guān)干擾,并確保鏡頻抑制及中頻抑制指標(biāo),同時(shí)濾除本振的返向泄露。該鏈路鏡像頻率為911.5 GHz,濾波器對(duì)該頻段的抑制在75 dBc以上。同時(shí)也對(duì)7.58.5 GHz頻段有75 dBc以上的抑制。

低噪放的1.3 dB低噪聲系數(shù)和24 dB增益可以確保鏈路噪聲系數(shù)指標(biāo)滿足要求。再經(jīng)隔離器對(duì)混頻器的駐波做一定改善,保證帶內(nèi)平坦度等指標(biāo)。同時(shí)鏈路所選的其它器件在相應(yīng)頻段上有良好的平坦度指標(biāo),可保證帶內(nèi)平坦度。

混頻器選用雙平衡混頻器,對(duì)偶次組合雜散有很好的抑制效果?;祛l輸出端接隔離器,以做良好的匹配,確保平坦度等指標(biāo)。再經(jīng)中頻帶通濾波器濾除射頻泄露、本振泄露和各階組合雜散。該濾波器的帶外抑制度在70 dBc以上。

采用數(shù)控衰減器進(jìn)行增益調(diào)整,衰減范圍為30 dB,步進(jìn)為1 dB,這樣可以靈活調(diào)整鏈路增益,避免下級(jí)鏈路飽和。

末級(jí)放大器選擇高增益、高三階、高輸出P-1dB放大器,在該應(yīng)用頻段具有良好的增益平坦度特性。

最后加帶通濾波器來(lái)濾除諧波,確保諧波抑制指標(biāo)滿足60 dBc及良好的輸出駐波。

本振頻率為17.5 GHz19 GHz,選用環(huán)內(nèi)混頻鎖相環(huán)方式實(shí)現(xiàn),具有高性能、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。采用100 MHz恒溫晶振為鎖相環(huán)做參考時(shí)鐘,以100 MHz為鑒相頻率,首先采用15 GHz的PDRO取樣鎖相,和鎖相環(huán)在環(huán)內(nèi)混頻,產(chǎn)生2.5 GHz4 GHz回環(huán)信號(hào)由鑒相器鑒相,輸出17.5 GHz

19 GHz信號(hào)。鎖相芯片采用HITTITE的鑒相器,它的歸一化噪底為-230 dBc/Hz。第一個(gè)鎖相環(huán)為寬帶輸出,所選VCO具有寬頻帶、低相位噪聲的特點(diǎn)。環(huán)路濾波器采用低噪聲運(yùn)算放大器AD797構(gòu)成有源環(huán)路濾波器,可以很好的降低運(yùn)放對(duì)相位噪聲的惡化。方案采用了雙環(huán)結(jié)構(gòu),通過(guò)輔助環(huán)降低主環(huán)分頻器,從而改善相位噪聲性能。Ka-X下變頻模塊本振框圖如圖2所示。

1.3 X-IF下變頻模塊

X-IF下變頻模塊主要將7.59.0 GHz信號(hào)下變到1 200 MHz

±500 MHz。X-IF下變頻模塊框圖如圖3所示。

X-IF下變頻器模塊輸入端為隔離器,可以有效保證產(chǎn)品的駐波要求。輸出端接濾波器,濾波器的駐波要求小于1.3,并接電阻型匹配電路,確保輸出駐波。

通道上所選擇的放大器、混頻器、濾波器等,在所使用的頻段上具有很好的平坦度指標(biāo),各器件間也做了良好的匹配,可以確保增益平坦度要求。

射頻輸入濾波器通頻帶為7.5~9.0 GHz,需要對(duì)鏡像頻率及本振返向泄露進(jìn)行抑制。該方案中鏡像頻率為5 100~

6 600 MHz,濾波器在該頻段的抑制可以達(dá)到70 dBc以上,滿足鏡像抑制大于60 dBc的要求。

帶外雜散抑制主要由中頻濾波器保證。該下變頻模塊采用一次變頻,2RF-2LO落在帶內(nèi),即諧波落在帶內(nèi),但抑制達(dá)到60 dBc以上,可以滿足系統(tǒng)接收性能要求;其他組合干擾均較小,或遠(yuǎn)離所用頻帶。

混頻器有20 dB的LO-RF隔離,放大器有35 dB的反向隔離,2只隔離器共50 dB的隔離,可以計(jì)算出射頻輸入端的本振泄露電平在-80 dBm以下。

增益調(diào)整采用數(shù)控衰減器HMC472,可滿足30 dB調(diào)整范圍,1 dB步進(jìn)要求。

本振頻率為6 3007 800 MHz,采用鎖相環(huán)方式實(shí)現(xiàn)。采用100 MHz恒溫晶振為鎖相環(huán)做參考時(shí)鐘,以100 MHz為鑒相頻率。鑒相器采用HITTITE的HMC704,它的歸一化噪底為-230 dBc/Hz。VCO選用HMC507,它具有寬頻帶、低相位噪聲的特點(diǎn),頻率可覆蓋6 3007 800 MHz,相位噪聲在100 kHz處可達(dá)到-115 dBc/Hz。環(huán)路濾波器采用低噪聲運(yùn)算放大器AD797構(gòu)成有源環(huán)路濾波器,可以很好地降低運(yùn)放對(duì)相位噪聲的惡化。X-IF下變頻模塊本振框圖如圖4所示。

2 測(cè)試結(jié)果

基本指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所列。測(cè)試結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的技術(shù)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種寬帶Ka頻段下變頻器。Ka下變頻器分成Ka-X下變頻器模塊與X-IF下變頻器模塊,采用低本振的二次變頻技術(shù),先將Ka頻段(25~27.5 GHz,任意1 GHz帶寬)射頻信號(hào)下變頻至X頻段(7.5~8.5 GHz)射頻信號(hào),再經(jīng)X頻段下變頻至1.2 GHz中頻信號(hào)。X頻段下變頻器模塊輸入射頻按7.5~9.0 GHz設(shè)計(jì),以滿足X頻段下變頻模塊兼容性接收其他X頻段衛(wèi)星的要求。

該設(shè)備已用于實(shí)際工程中,測(cè)試結(jié)果滿足遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的寬帶Ka頻段下變頻器設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)

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[3]J. Roselló, A.Martellucci, R. Acosta, et al.26-GHz Data Downlink for LEO Satellites[C]. 6th European Conference on Antennas and Propagation, 2012: 111-115.

[4]王中果,汪大寶.低軌遙感衛(wèi)星Ka頻段星地?cái)?shù)據(jù)傳輸效能研究[J].航天器工程,2013,22(1):72-77.

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[6]呂洪生.實(shí)用衛(wèi)星通信工程[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,1994:97-99.

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