关于Ka频段卫星地面站接收信道设计详细解析

1、引言

进入21世纪，随着信息全面化及全球巨大的个人多媒体通信流量与无缝隙覆盖需求，卫星通信已成为当今世界上最重要的通信手段之一，它发挥着愈来愈重要的作用。随着低端频率的频谱资源及GEO卫星轨道资源的紧缺与拥塞，已不能满足高速、宽带等诸多应用的需求。由于Ka频段以上的卫星通信系统具有可用带宽宽，干扰少，设备体积小的特点，在卫星通信及各种形式的卫星地面站中的应用也日益广泛。目前在国内地面接力通信系统中，Ka频段收发射设备的技术已比较成熟。但卫星通信地面站的收发设备的研制技术还有一定差距，因此Ka频段卫星通信地面站射频单元关键技术及关键设备的研制刻不容缓。

2、地面站接收单元组成与工作原理

在开展Ka频段地面站射频单元关键技术的研究中，根据需求为固定站和移动站提供体积小、重量轻、成本低、高可靠性的室外单元是发展方向。地面站射频单元由发射单元和接收单元组成。本文介绍的地面站接收单元是与Ka频段射频发射单元配套的下行信道部分，图1是接收单元信道组成方框图，来自Ka频段地面站天线双工器接收输出端的20.3 GHz～20.8 GHz的射频信号，经低噪声放大器（LNA）放大，然后接入通带为20.3~20.8 GHz的带同滤波器，此带通滤波器对镜频和其它带外杂波有较强的抑制特性。然后与Ka波段接收锁相本振源输出的19.35 GHz的本振信号进行单平衡混频，其差频信号即为950 MHz~1 450 MHz的L频段中频信号，经通带为950 MHz~1 450 MHz 的带通滤波器，滤除各种组合干扰频率信号，再经过L波段中频放大器放大后输出给室内单元（IDU）。

图1 Ka频段卫星通信地面站接收信道框图

根据Ka频段接收单元的设计方案已知系统的主要技术指标为：

1）输入频率范围： 20.3 GHz～20.8 GHz

2）输出频率范围： 950 MHz～1 450 MHz

3）LNA噪声系数： ≤2.5 dB

4）镜频抑制： ≥60 dB

5）杂散输出： £-50 dBc（500 MHz带内） £-60 dBc（500 MHz带外）

3、接收单元设计思想

随着半导体及集成技术的飞速发展，设备的集成化程度越来越高。在Ka频段已有满足要求的低噪声放大器、混频器等集成模块，可以直接应用到系统中。所以在Ka频段接收单元在设计过程中实现小型化、模块化、和通用化的设计思路贯穿始终。在系统设计中关键部件均选用相应的单片集成（MMIC）模块，因此使得系统的研制即节省了时间又保证了设备的可维修性，同时提高了可靠性。接收单元中关键部件就是低噪声放大器，它要具有低噪声系数、高增益、大动态范围的特点。综合考虑选用了Triqunt司的低噪声集成放大器TGA1319A-EPU;其次单边带下变频混频器采用Hittite公司的单片集成平衡混频模块HMC260;中频放大器也采用了相应的集成模块。为了能使混频器产生的镜频和其它带外杂散得到很好的抑制，输入带通滤波器采用了带外抑制很强的E面波导金属膜片带通滤波器。Ka频段接收单元的电路组成结构见图2。

图2 接收信道电路图

4、接收单元仿真设计及指标分析

4.1 接收单元拓扑电路

在设备进入实质性的设计与研制之前应用EDA软件对系统进行仿真优化设计，参照接收单元的主要技术指标要求及选用的各个器件。应用ADS微波设计软件对接收单元的信道部分进行了系统仿真优化设计。接收单元的仿真拓扑电路见图3，根据拓扑电路选择相应的Simulation Controller对接收信道的主要指标分别进行仿真优化，并得出仿真结果。

图3 接收信道仿真拓扑电路

4.2 噪声系数仿真

噪声系数是接收系统输入端信噪比在输入端与中频放大器某点之间恶化情况的总量度，它也是衡量接收单元设计优劣的质量因数。优质接收单元的设计就要尽可能在其输出端获得最佳信噪比。它直接影响接收系统的通信质量，接收单元是由放大器、混频器、滤波器和中频放大器等多个部件组成，对于级联网络其噪声系数计算公式为

可见接收单元的噪声系数主要取决于前置低噪声放大器的噪声系数，因为集成放大器APM1、APM2（见图2）有约四十几分贝的增益，所以系统中其他部件的噪声影响可忽略不计，对接收单元的噪声系数进行了仿真，又图4的仿真曲线中得到在工作频带内噪声系数≤2.16 dB，满足系统要求。

图4 噪声系数曲线

4.3 镜频抑制和杂散输出仿真

接收单元的输入信号经各级放大器放大后进入混频模块，经混频会产生若干寄生频率，但最值得注意的有两个频率 ，一个是和频 ω+=ωL+ωs ; 另一个 就 是镜频ωk=2ωL-ωs 。这个频率相对于本振来说和信号处于镜像的位置， 但比较而言镜频距离信号频率最近，因此很容易落在信号频带之内，对信号产生影响。

在微波接收系统中，镜频抑制是一项非常重要的技术问题，良好的镜频抑制能够避免噪声恶化，同时也能降低外界镜频干扰。实现单边带接收的常用方法是在混频器信号输入端接入一带通滤波器，以抑制镜像输入信号。采用带外抑制很强的波导型E面金属膜片带通滤波器，能有效地抑制镜频和外界杂波的干扰。仿真优化得出接收单元的镜频抑制≥70 dB，杂散输出《-68 dB，仿真结果分别见图5、图6。

图5 镜频抑制曲线

图6 杂散输出曲线

5、结束语

通过仿真设计，可以看出在该接收单元设计中选用的各部件的技术指标与接收信道的要求是相匹配的。各项技术指标能满足系统要求，在设备的研制过程中也验证了仿真结果的可行性。因此通过应用EDA软件对系统进行仿真设计，可以判断通信系统技术指标的合理性与优劣，使通信系统发挥最大效益，同时使得一些本来无法进行试验的过程在仿真中获得验证。为成功研制设备提供了重要依据，从而有效地避免了在设备研制过程中走弯路、耗时间。在Ka频段地面站接收信道中合理选用了多种放大和变频集成器件，实现了信道的模块化、小型化、通用化。对于不同要求的地面站，适当调换相应的器件，就可以满足其要求。