Ku波段双馈源高频头的设计

　　本文主要介绍了研发的一款K u波段双馈源高频头的设计方法。

　　项目要求的主要性能指标

　　1.性能指标要求

　　(1)输入频率：11 7 12.75GHz

　　(2)噪声系数：NF≤0.8dB

　　(3)增益：G=55±5dB

　　(4)镜像抑制：≥30dB

　　(5)本振标称频率：10.75 GHz_1MHz

　　(6)本振稳定度：f±2MHz

　　(7)载波互调比：>140 dB

　　(8)增益稳定度：≤0.5 dB

　　(@/36MHz)

　　(9)输出频率：950~2000MHz

　　(10)一本振泄露电平：≤-50dBmW

　　(11)本振相位噪声：

　　≥60dB(@/1KHz)

　　≥85dB(@/10KHz)

　　≥100dB(@/100KHz)

　　(12)使用电压范围：10--20V

　　2.结构要求

　　样品腔体采用铝压铸件，腔体表面采用喷塑工艺处理。

　　3.环境适应要求

　　(1)温度要求

　　高频头工作温度范围一40℃—+60℃

　　(2)湿度要求

　　高频头在相对湿度5%一l00%的环境条件中应能正常工作：

　　(3)大气压要求

　　高频头在以下大气压条件下的环境中应能正常工作：86-106KPa

　　Ku波段双馈源高频头的基本工作原理及系统框图

　　1. 基本工作原理

　　Ku 波段高频头也称Ku波段下变频器，其将卫星传输的下行信号经过天线聚集放大后传送到LNB馈源波导输入，再通过耦台探针(或耦合微带传输线)输入到高频放大器，经低噪声放大器放大后，通过带通镜像频率抑制滤波器选择所需频段的P.F信号.再和本振信号混频差频出中频信号，输出信号通过电缆送入卫星接收机完成QPSK解调和MPEG一2解码工作.以A/v信号的模式提供给电视机。用户可以通过控制信号选择所需要的两颗卫星上任意一个星上的信号。

　　Ku波段双馈源高频头主要单元电路设计

　　1. 场效应管低噪声放大器(FET LNA)

　　在设计一个放大器电路时，需要考虑到的特性很多，但最重要的是稳定性、功率增益、噪声系数、输出功率、输入和输出电压驻波比、动态范围、功率增益带内平坦度等。本产品的低噪声放大器采用的是NEC公司的NE4210S01场效应管低噪声放大器。场效应管低噪声放大器的作用是放大从腔体馈源馈入的微弱的信号。

　　(1) 第一级F盯LNA的设计

　　该电路处于高频头有源电路的最前端，因此采用最佳噪声匹配。通常，任意有噪声两端口网络可以用接在无噪声两端口网络输入端的一个噪声电压源和一个噪声电流源来表示。假女Il电路以电压噪声为主.则采用一个高的源阻抗会使传输的噪声信号最小，假如以电流噪声为主，则连接一个低的源阻抗会使传输的噪声信号最小。当两种噪声源同时存在时，从电路的最小噪声系数将得出一个特定的源导纳(或源阻抗)，称之为最佳源导纳。利角史密斯圆图可以给出输入导纳或阻抗平面上的等噪声系数圆。我们用下面的关系式来描述噪声系数是如何偏离最小值而增加的：

　　F2Fmin+lKn/Gs】Ys-YoI

　　式中，F=噪声系数，Fmin=最小噪声系数，Rn=等效噪声电阻，Yo=给出最小噪声系数的最佳源导纳=Go+jBo,Ys=源导纳。

　　多级级联放大器的噪声系数计算公式如下：

　　NF=NFl+(NF2—1)，Gl+((NF3—1)/Gl G2+….

　　从以上的公式可知，第一级放大器的噪声系数对整个高频头产品的噪声系数的大小会起到一个决定性的作用。

　　我们采用的微波电路板材是罗杰斯公司的高性能电路Rogers板材，其介电常数是3.38-+0 05，厚度是0.5mm，损耗角正切是0.0027。我们使用先进的微波电路仿真软件ADS进行优化仿真，再通过精心的调试，经过几次试验调试。最后达到了我们的设计要求，高频头的整机噪声小于0.8dB，如下图所示：

　　2.微带带通滤波器的设计

　　(1)带通滤波器的主要技术指标：

　　①通带边界频率与通带内衰减、起伏

　　②阻带边界频率与阻带衰减

　　(2)微带带通滤波器的设计步骤

　　我们采用ADS软件来设计该滤波器，设计步骤包括：

　　① 原理图绘制

　　②电路参数的优化、仿真

　　③版图的仿真等

　　根据软件仿真设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板。我们对加工好的电路进行调试，再通过软件进行仿真，再调试，经过几次的反复仿真、译试，使其满足我们的设计要求。

　　我们设计的带通滤波器达到的主要指标如下：

　　①通带频率：11.7——l2.75GHz

　　②通带内衰减小于3dB

　　③通带内起伏小于ldB

　　④阻带衰减大于30dB