衛星電視下變頻器(高頻頭)的工作原理

1　衛星電視下變頻器(高頻頭)的作用
　　衛星電視低噪聲下變頻器又稱(chēng)為高頻頭(也稱(chēng)衛星電視的室外單元)，它是由微波低噪聲放大器，微波混頻器，第一本振和第一中頻前置放大器組成，其框圖如圖1所示。

圖1　高頻頭的原理框圖

　　一般的衛星電視接收系統主要包括：(1)天線(xiàn)；(2)饋源；(3)低噪聲下變頻器，也稱(chēng)為高頻頭(是由低噪聲放大器與下變頻器集成的組件)，用LNB表示；(4)電纜線(xiàn)；(5)端子接頭；(6)衛星接收機；(7)電視接收機。
　　衛星電視接收系統框圖如圖2所示。

圖2　衛星電視接收系統框圖

　　由于衛星電視接收系統中的地面天線(xiàn)接收到的衛星下行微波信號經(jīng)過(guò)約40 000 km左右的遠距離傳輸已是非常微弱，通常天線(xiàn)饋源輸出載波功率約為-90dBmW^［注］。若饋線(xiàn)損耗為0.5 dB，則低噪聲放大器輸入端載波功率為-90.5 dBmW。第一變頻器和帶通濾波器的損耗約為10 dB，第一中放的增益約為30 dB。這樣，若低噪聲放大器給出增益(40～50) dB，則下變頻器輸出端可以輸出(-30～-20) dBmW的信號。因此，衛星電視下變頻器的作用是在保證原信號質(zhì)量參數的條件下，將接收到的衛星下行頻率的信號進(jìn)行低噪聲放大并變頻。

2　衛星電視下變頻器的結構

　　衛星電視下變頻器中的低噪聲放大器一般是將波導同軸轉換器與低噪聲放大器合成一個(gè)部件。如果要達到噪聲溫度低和增益高，通常包含3～4級放大，前兩級為低噪聲放大器，主要采用高電子遷移率晶體管HEMT器件，后兩級為高增益放大器，主要采用砷化鎵場(chǎng)效應晶體管GaAsFET。典型的LNA的噪聲溫度在C波段約為(20～40)°K。增益約為(40～50) dB，輸出輸入電壓駐波比(VSMR)小于1.5。圖3給出了低噪聲放大器(LNA)的電原理圖，設計時(shí)通常先給出必要的參數，如S參數、電路級數、匹配電路的方式、噪聲參數、輸出輸入阻抗等等，然后利用計算機CAD軟件進(jìn)行優(yōu)化設計并作出微帶線(xiàn)電路圖。

圖3　低噪聲放大器的電原理圖

　　第一變頻器和帶通濾波器是由第一本振、第一混頻器及帶通濾波器組成的，其作用是將低噪聲放大器輸出的下行微波信號變?yōu)橹蓄l信號，變頻前后信號的帶寬保持不變。
　　第一本振通常以介質(zhì)諧振器振蕩器作為諧振回路，采用耦合微帶線(xiàn)耦合能量，使用CaAs-FET作為基本放大電路來(lái)實(shí)現振蕩器。介質(zhì)諧振器的介電常數很高，通常在35～40之間，諧振時(shí)，由于介電常數高，電磁場(chǎng)大部分集中在介質(zhì)內部，與金屬諧振腔類(lèi)似。介質(zhì)諧振腔的優(yōu)點(diǎn)是溫度穩定性好，品質(zhì)因數Q值高，體積小，價(jià)格低，容易和微帶線(xiàn)耦合而制成MMIC。
　　圖4給出2種實(shí)際的介質(zhì)諧振器振蕩器電原理圖。

圖4　介質(zhì)振蕩器電原理圖

　　實(shí)際的介質(zhì)諧振器振蕩器中不僅需要考慮介質(zhì)諧振器的參數、位置及微帶線(xiàn)的參數，還要考慮場(chǎng)效應晶體管輸出輸入的阻抗匹配的問(wèn)題和直流偏置電路的設置。
　　第一混頻器由非線(xiàn)性元件、輸入信號與本振信號混合網(wǎng)絡(luò )及一些附加電路組成，如圖5所示。

圖5　第一混頻器框圖

　　輸入信號與本振信號混合后疊加在非線(xiàn)性元件上，非線(xiàn)性元件通常采用晶體二極管和三極管，使其工作在伏安特性曲線(xiàn)的非線(xiàn)性區。由其非線(xiàn)性作用使輸出端產(chǎn)生出和頻、差頻、倍頻等一系列信號，可用濾波器選取所需的差頻信號，應能達到混頻的目的。實(shí)際電路中，常采用二極管阻抗混頻器，它的結構簡(jiǎn)單，便于集成化，工作穩定，噪聲系數低，工作頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大。雖然，這種混頻器沒(méi)有變頻增益，只有變頻損耗，但這種損耗容易加放大器予以補償。實(shí)際應用中，還要考慮輸入信號與本振信號的隔離及對寄生頻率的抑制等，通常采用雙平衡混頻器，它主要由二極管橋和平衡、不平衡變換器組成，電原理圖如圖6(圖中巴侖(balun)為平衡、不平衡線(xiàn)路變壓器)所示。

圖6　雙平衡混頻器電原理圖

　　四個(gè)特性相同的混頻二極管按同一極性順序連接成環(huán)形橋路，輸入和本振信號通過(guò)變壓器耦合，將不平衡的輸入變換為平衡輸出加到二極管橋的兩對角線(xiàn)上，從而總的中頻電流等于四個(gè)二極管所產(chǎn)生的中頻電流的總和。
　　雙平衡混頻器具有主要特點(diǎn)如下：
　　(1)輸入信號與本振信號之間有高隔離度；
　　(2)工作頻帶寬；
　　(3)動(dòng)態(tài)范圍大，抗過(guò)載能力強；
　　(4)對寄生頻率有很好的抑制能力；
　　(5)能抑制本振引入的噪聲。
　　第一中放也稱(chēng)前置中放，通常是直接和混頻器相接的，它的作用是把混頻器輸出的微弱中頻進(jìn)行放大、以補償混頻器、帶通濾波器以及室外、室內單元間連接的高頻電纜所引起的衰減。第一中放通常直接采用集成電路塊。
　　由于二次變頻式的衛星接收系統第一中頻通常選擇在1 GHz左右，這個(gè)頻率處于微波放大器和高頻放大器的交界處，因而電路結構方式可以用分布參數、集中參數或二者的混合形式三種。
　　集中參數電路與一般高頻放大器基本相同，電路元件用集中參數的電阻、電容和電感，參見(jiàn)圖7。

圖7　集中參數電路

　　由于中放是寬頻帶電路，所以不能使用調諧回路，元件為無(wú)引線(xiàn)型，電路尺寸緊湊。但由于R、C元件的離散性，往往難以得到嚴格符合設計要求的數值，所以單級增益低；但可以用增加級數的方法加以解決，一般由3～4級組成，增益約為20 dB。
　　分布參數的中放電路可以用微帶形式實(shí)現，參見(jiàn)圖8所示?？上葴y出晶體管的S參數，然后設計微帶匹配電路。分布參數電路的優(yōu)點(diǎn)是電路一致性較好，容易達到單級最佳性能，所以放大器一般是2～3級。

圖8　分布參數電路

　　混合形式的電路是用一部分微帶線(xiàn)和部分集中參數元件組成的。當第一級管子的S₁₁值適當時(shí)，可用較短的傳輸線(xiàn)和分支微帶組成輸入電路，能獲得較低的噪聲。級間和輸出電路可采用微帶和集中參數元件的結合。它設計靈活，兼有分布和集中參數電路的優(yōu)點(diǎn)。
　　室外單元的直流供電由連接室外單元的75 Ω高電纜芯線(xiàn)提供。室內單元的直流電源通過(guò)高頻扼流圈傳送給室外單元，它對(3.7～4.2) GHz的微波信號和第一中頻信號均無(wú)影響。通常16 V～24 V的電壓，一路送去LNA，另一路送到室外單元的穩壓電路，穩壓后供室外單元其他各級使用。

3　衛星電視下變頻器的主要技術(shù)要求

　　由于衛星電視接收系統中天線(xiàn)接收到的衛星下行微波信號非常微弱，為保證信號的質(zhì)量，將接收到的衛星下行頻率信號進(jìn)行放大并變頻，C頻段衛星電視下變頻器應該滿(mǎn)足的主要技術(shù)要求如下：
　　(1)振幅—頻率特性好。振幅—頻率特性是指輸入電平恒定下，輸入信號頻率變化時(shí)輸出端電平變化的特性，主要包括通頻帶、功率增益、增益波動(dòng)及增益斜率