Ku波段衛星通訊轉發器設計研究論文
摘要:論述了一種Ku波段衛星透明轉發器的實現方法與技術途徑,包括變頻單元和通道處理單元兩部分。對一些主要部件進行了簡要的理論分析,並給出微波電路模擬結果和設計形式,最後得出轉發器的測試結果。
關鍵詞：:Ku波段；衛星通訊；轉發器；自動增益控制
衛星轉發器是通訊衛星和中繼衛星的核心,依據是否對轉發訊號進行處理,可將轉發器分為“透明”轉發器和“處理”轉發器[1]。透明轉發器收到地面發來的訊號,除進行低噪聲放大、變頻、功率放大外不做任何加工處理,它對工作頻帶內的任何訊號都是“透明”的通路;處理轉發器除了轉發訊號外,還具有訊號處理功能。星上的訊號處理,主要包括對訊號進行解調再生和其它的訊號變換和處理,再就是在多波束通訊中對訊號進行星上切換和處理[2]。本文設計了一種用於中繼衛星的全透明轉發器,依據不同使用者星的軌道需求,具有增益調節功能,可進行發射功率的調整。
1轉發器組成和指標要求
Ku波段轉發器主要由變頻單元和通道處理單元兩部分組成,轉發器的`變頻體制按其變頻次數可分為一次變頻和二次變頻。本文采用一次變頻體制,具有無頻譜倒置、整合度高、效能穩定可靠、結構簡單等特點。變頻單元和通道處理單元原理框圖分別如圖1和圖2所示。根據原理框圖,變頻單元主要由混頻模組、本振放大模組、中頻放大模組和電源部分組成;通道處理單元主要由可變增益放大模組、檢波增益控制模組、驅動模組和電源部分組成。
2關鍵電路設計與測試
2.1本振放大模組設計
2.1.1匹配電路設計在源和負載之間插入一個無源匹配網路,可以使負載阻抗與源阻抗相匹配,從而實現最大的功率傳輸。在低頻頻段採用分立元件網路就能實現,而在射頻頻段,分立元件的寄生引數效應就變得更加明顯,通常採用微帶線和微帶短截線等分佈引數元件來代替分立元件而構成匹配網路[3]。2.1.2電路模擬最佳化及測試設計選定放大器靜態工作點為Vds=2V,Ids=10mA,採用陶瓷基板,介電常數εr=9.8,基板厚度H=0.254mm。使用計算機輔助設計軟體ADS進行原理圖和版圖模擬,根據模擬結果可知放大器在整個工作頻帶內絕對穩定。經過測試得到本振放大器在需要的訊號頻寬內增益大於20dB,增益波動小於±0.2dB,滿足設計要求。
2.2通道處理單元設計
Ku波段轉發器通道處理單元完成射頻訊號的衰減、增益放大、限幅放大、功率檢波和功率衰減等功能,具有自動增益控制工作模式和線性放大工作模式。設計通道處理單元在自動增益控制工作模式時增益為30.5dB,線性工作模式時增益為23.5dB,增益變化如圖3所示。
2.3Ku波段腔體濾波器設計與測試
Ku波段腔體濾波器各諧振單元之間主要是透過磁場進行耦合。根據濾波器的通帶頻率選擇已知電磁場解的諧振單元,構造單腔。實際濾波器中單個腔體的尺寸一致;再利用三維全波電磁模擬軟體AnsoftHFSS進行本徵模分析,本徵模式是結構的諧振頻率,基於有限元演算法的HFSS採用本徵模式求解器求出該結構的諧振頻率[4]。用向量網路分析儀對濾波器進行測試,實測結果是帶內插損＜2.5dB,回波損耗＜-20dB,-1dB頻寬＞50MHz,帶外抑制f0±200MHz＞50dBc,理論模擬與實測結果較吻合。3Ku波段衛星轉發器測試結果該轉發器已完成樣機研製,經測試各項效能均達到或優於指標要求。測試資料如表1所示,滿足設計要求。
4結語
本文研製了基於微組裝工藝的高效能本振放大器、射頻濾波器、自動增益控制放大器和射頻濾波器等元件,實現了Ku/Ku射頻訊號的頻譜搬移和通道處理,為進一步開展衛星轉發器工程化研製的積累了經驗。
參考文獻
[1]周仲林,楊建軍.通訊衛星Ka波段轉發器技術的研究[J].電訊技術,1997,(2):43-55.
[2]成躍進.Ka波段通訊衛星與Ka波段轉發器技術[J].空間電子技術,2000,(2):20-31.
[3]程龍寶,趙濤,黃凱旋.深空探測X波段低噪聲放大器研究和設計[C].中國宇航學會深空探測技術委員會第八屆學術年會,2011,(10):434-438.
[4]peizhangwang,Guanglei.Up-converteranddown-converterdesignforS-Kuband.CJW2011,2011.
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