小衛星通信系統射頻前端設計

摘要：闡述了小衛星的發(fā)展背景、工作模式及技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)，介紹了小衛星采用的射頻前端系統結構。為了系統的合理設計，以滿(mǎn)足星問(wèn)通信的要求，對系統中低噪放電路、鎖相環(huán)電路、自動(dòng)增益控制電路的工作原理和重要指標進(jìn)行了分析。采用ADS，ADIsimPLL軟件仿真，得出適合要求的電路結構。最終制作出系統電路板并調試實(shí)現預期指標。
關(guān)鍵詞：小衛星；射頻前端；低噪放；鎖相環(huán)；自動(dòng)增益控制

0 引言
在20世紀90年代小衛星概念提出以前，應用衛星技術(shù)主要靠單顆衛星來(lái)發(fā)揮作用，多種科研任務(wù)集中在一顆衛星上，甚至有些任務(wù)是相互沖突的，這不僅延長(cháng)了研制周期，也增大了系統的風(fēng)險。而利用小衛星編隊組網(wǎng)運行，可以實(shí)現單顆衛星難以實(shí)現的功能，并且方便添加新的系統和技術(shù)，從而使那些需要較長(cháng)研制周期的儀器可隨時(shí)添加到虛擬衛星中去，另外小衛星具有單星測控能力，使系統測控可靠性進(jìn)一步加強。在技術(shù)上，小衛星有功能模塊集成化、功耗低、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。小衛星的這些優(yōu)點(diǎn)吸引了各航天大國對其開(kāi)展研究，我國也投入了大量人力物力開(kāi)展了衛星編隊的研制。本文針對某項目的具體要求，設計了適合小衛星通信系統的射頻前端，仿真分析了其關(guān)鍵電路，并通過(guò)實(shí)物驗證了方案設計的可行性，實(shí)驗結果表明設計合理，實(shí)現了預期目標。

1 系統結構
超外差結構是射頻前端應用中最多的一種結構，其發(fā)射和接收方案都比較成熟。系統結構框圖如圖1所示。

在接收電路中將從天線(xiàn)接收來(lái)的微弱信號放大，經(jīng)過(guò)下變頻得到中頻信號，為了放大器的穩定和避免自激，在一個(gè)頻帶內的放大器其增益一般不超過(guò)50～60 dB，通過(guò)選擇合適的中頻頻點(diǎn)和濾波器，可以實(shí)現很好的選擇性和靈敏度。發(fā)射電路中將中頻信號上變頻得到射頻信號，經(jīng)過(guò)濾波和功率放大輸出給天線(xiàn)發(fā)射出去。
系統中發(fā)射電路和接收電路均采用二次變頻。飛行過(guò)程中小衛星與主星之間距離的變化會(huì )引起接收電路輸入端信號的功率變化，變化范圍可達幾十分貝，在接收電路中設置自動(dòng)增益控制電路，使接收信號功率在一定范圍內變化時(shí)輸出信號功率變化很小。系統中重要組成部分有低噪放電路、鎖相環(huán)電路、自動(dòng)增益控制電路等。
系統中接收電路的主要指標如下：
(1)接收信號為2．3 GHz，功率為-120 dBm；輸出信號為30 MHz，功率大于等于0 dBm。
(2)噪聲系數小于等于2，輸出信號功率信噪比大于等于13 dB。
(3)接收信號在-120～-90 dBm變化時(shí)，輸出信號變化小于6 dBm。
(4)相位噪聲小于-80 dBc／Hz／10 kHz。

2 系統組成部分
2．1 低噪放電路
低噪聲放大器在接收電路中處于前端，接收來(lái)自天線(xiàn)的微弱信號，其性能的好壞直接影響著(zhù)整機的性能，尤其是接收靈敏度和整機噪聲的好壞。低噪聲放大器的主要指標有噪聲系數、功率增益、動(dòng)態(tài)范圍、穩定性。
噪聲系數定義為線(xiàn)性二端口網(wǎng)絡(luò )中：

式中：F1，F2，F3分別為前三級放大器的噪聲系數；G1，G2，G3分別為前三級放大器的增益。