Ka頻段衛星地面站接收信道設計

1 引言

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

2 地面站接收單元組成與工作原理

在開(kāi)展Ka頻段地面站射頻單元關(guān)鍵技術(shù)的研究中，根據需求為固定站和移動(dòng)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(lái)自Ka頻段地面站天線(xiàn)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(jìn)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(guò)L波段中頻放大器放大后輸出給室內單元(IDU)。

圖1 Ka頻段衛星通信地面站接收信道框圖

根據Ka頻段接收單元的設計方案已知系統的主要技術(shù)指標為：

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： ≤2.5 dB

4）鏡頻抑制： ≥60 dB

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

3 接收單元設計思想

隨著(zhù)半導體及集成技術(shù)的飛速發(fā)展，設備的集成化程度越來(lái)越高。在Ka頻段已有滿(mǎn)足要求的低噪聲放大器、混頻器等集成模塊，可以直接應用到系統中。所以在Ka頻段接收單元在設計過(guò)程中實(shí)現小型化、模塊化、和通用化的設計思路貫穿始終。在系統設計中關(guān)鍵部件均選用相應的單片集成（MMIC）模塊，因此使得系統的研制即節省了時(shí)間又保證了設備的可維修性，同時(shí)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、高增益、大動(dòng)態(tài)范圍的特點(diǎn)。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面波導金屬膜片帶通濾波器。Ka頻段接收單元的電路組成結構見(jiàn)圖2。

圖2 接收信道電路圖

4 接收單元仿真設計及指標分析

4.1 接收單元拓撲電路

在設備進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的設計與研制之前應用EDA軟件對系統進(jìn)行仿真優(yōu)化設計，參照接收單元的主要技術(shù)指標要求及選用的各個(gè)器件。應用ADS微波設計軟件對接收單元的信道部分進(jìn)行了系統仿真優(yōu)化設計。接收單元的仿真拓撲電路見(jiàn)圖3，根據拓撲電路選擇相應的Simulation Controller對接收信道的主要指標分別進(jìn)行仿真優(yōu)化，并得出仿真結果。

圖3 接收信道仿真拓撲電路