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    2. 小衛星通信系統射頻前端設計
      來源:    發布時間: 2020-06-16 15:02   71 次瀏覽   大小:  16px  14px  12px
      闡述了小衛星的發展背景、工作模式及技術上的優點,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,以滿足星問通信的要求,對系統中低噪放電路、鎖相環電路、自動增益控制電路的工作原理和重要指標進行了分析。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現預期指標。
      闡述了小衛星的發展背景、工作模式及技術上的優點,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,以滿足星問通信的要求,對系統中低噪放電路、鎖相環電路、自動增益控制電路的工作原理和重要指標進行了分析。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現預期指標。
      0 引言
      在20世紀90年代小衛星概念提出以前,應用衛星技術主要靠單顆衛星來發揮作用,多種科研任務集中在一顆衛星上,甚至有些任務是相互沖突的,這不僅延長了研制周期,也增大了系統的風險。而利用小衛星編隊組網運行,可以實現單顆衛星難以實現的功能,并且方便添加新的系統和技術,從而使那些需要較長研制周期的儀器可隨時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一步加強。在技術上,小衛星有功能模塊集成化、功耗低、體積小和重量輕等優點。小衛星的這些優點吸引了各航天大國對其開展研究,我國也投入了大量人力物力開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,仿真分析了其關鍵電路,并通過實物驗證了方案設計的可行性,實驗結果表明設計合理,實現了預期目標。
      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,其發射和接收方案都比較成熟。

      在接收電路中將從天線接收來的微弱信號放大,經過下變頻得到中頻信號,為了放大器的穩定和避免自激,在一個頻帶內的放大器其增益一般不超過50~60dB,通過選擇合適的中頻頻點和濾波器,可以實現很好的選擇性和靈敏度。發射電路中將中頻信號上變頻得到射頻信號,經過濾波和功率放大輸出給天線發射出去。
      系統中發射電路和接收電路均采用二次變頻。飛行過程中小衛星與主星之間距離的變化會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增益控制電路,使接收信號功率在一定范圍內變化時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、鎖相環電路、自動增益控制電路等。
      系統中接收電路的主要指標如下:
      (1)接收信號為2.3GHz,功率為-120dBm;輸出信號為30MHz,功率大于等于0dBm。
      (2)噪聲系數小于等于2,輸出信號功率信噪比大于等于13dB。
      (3)接收信號在-120~-90dBm變化時,輸出信號變化小于6dBm。
      (4)相位噪聲小于-80dBc/Hz/10kHz。
      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,接收來自天線的微弱信號,其性能的好壞直接影響著整機的性能,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、動態范圍、穩定性。
      噪聲系數定義為線性二端口網絡中:

      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。
      由式(2)可知放大器級聯時噪聲系數主要由第一級決定,因此要求第一級放大器的噪聲系數越小越好。為了抑制后級電路對系統噪聲系數的影響,第一級放大器需要有較高的增益。
      該項目中采用的方案是三級低噪聲放大器級聯。第一級選用HMC618LP3,在25℃環境中2.3GHz處增益為15dB,噪聲系數為1.05。第二級選用HMC548LP3,在25℃環境中2.3GHz處增益為25dB,噪聲系數為1.5。第三級選用變增益放大器HMC287MS8,在25℃環境中Vctl=0時,2.3GHz處增益為23dB,Vctl=3V時,增益為-11dB。將放大器的S2P文件導入ADS軟件中仿真,結果如圖2所示。由圖可知,最高增益為52.196dB,最低增益為18.658dB。三級放大器增益都很高,如果各級間匹配不好,很可能會導致放大器自激振蕩,要從源頭解決這個問題,只有修改各級的匹配網絡,這往往難度很大,最有效的辦法是在級間增加π型衰減網絡。π型衰減網絡可以有效抑制信號在放大器級間的反射,nf(2)是π型網絡引入的噪聲,在實際電路中可以更換π型網絡電阻調節衰減量和噪聲系數。

      2.2 鎖相環電路
      鎖相環是由鑒相器(PD)、環路濾波器(LPF)及壓控振蕩器(VCO)所構成的反饋電路,鑒相器比較參考信號u1(t)和壓控振蕩器輸出信號u2(t)的相位,并輸出相位誤差電壓ud(t),經過環路濾波器濾除相位誤差信號中的高頻信號及部分噪聲,剩下直流電壓uc(t),再將此直流電壓送到壓控振蕩器來控制輸出信號頻率。當壓控振蕩器的輸出信號頻率與參考信號的頻率不同時,這個過程將持續進行,在達到頻率相等時,且滿足一定條件環路就穩定下來,實現鎖定。鎖定之后被控的壓控振蕩器頻率與輸入信號頻率相同,兩者之間維持一定的穩態相位差。
      鎖定時間和相位噪聲是鎖相環的重要指標。最佳鎖定時間需要45°~48°的相位裕度,式中:fjump=|f1-f2|為頻率跳變量;f為初始頻率;f2為終止頻率;ftol為頻率鎖定誤差容限;BW為環路帶寬;LT為鎖定時間。
      可見環路帶寬越大,鎖定時間越短,頻率跳變越小,鎖定時間越短??梢酝ㄟ^適當增大環路帶寬和增大鑒相頻率的方法縮短環路鎖定時間。
      鎖相環電路的噪聲來源于參考信號噪聲、電荷泵噪聲、反饋分頻噪聲和壓控振蕩器噪聲四部分。環路濾波器對環路參數調整起著決定性作用,關于環路濾波器的階數,最基本的環路濾波器是兩階,如果想進一步降低參考雜散的幅度,可以在二階環路濾波器之后再加一個RC低通網絡,構成三階無源環路濾波器。該項目中選用的頻率合成器是ADF4360-1,用ADIsimPLL軟件設計三階無源濾波器,并對輸出信號進行仿真,射頻本振信號鎖定時間和相位噪聲如圖4所示,鎖定時間為22μs,2.27GHz處相位噪聲為-88dBc/Hz/10kHz。

      2.3 自動增益控制電路
      自動增益控制電路主要由變增益放大器和檢測控制電路兩部分組成。傳統的檢測控制電路有兩種實現方法,一是采用模擬方法檢測信號的峰值,對峰值信號進行低通濾波、放大以后控制VGA的增益,這種模擬檢測、模擬控制的方法實現起來比較簡單。二是采用數字方法檢測信號的峰值,對檢測到的峰值進行一定的處理后產生數字控制量調整VGA的增益,這種方法需要A/D轉換器。限于小衛星上提供電壓和功率很低,空間很小,所以采用第一種方法。
      自動增益控制電路中一般將變增益放大器設置在中頻段,該項目中考慮到系統的功耗,選用低功耗的變增益放大器HMC287MS8,將變增益放大器設置在射頻段,結合檢波器、運算放大器和濾波器實現自動增益控制,檢波器對檢測信號的功率有下限要求,輸入信號功率超過下限時檢波器輸出電壓才能變化,因此信號檢測點選擇要合宜。該項目中選用的檢波器是AD8361,AD8361對30MHz信號檢波,實際測試輸出電壓隨輸入信號功率變化如表1所示。結合變增益放大器的增益變化曲線,調整運算放大器的參考電壓和運算方程可實現閉環系統增益的穩定控制。

      3 實驗驗證
      經過設計制成小衛星射頻前端電路板如圖6所示,利用信號源86320B和頻譜儀8563E進行測試,系統接收信號2.3GHz,功率從-120dBm起,輸出中頻信號功率信噪比不低于15dB。接收信號在30dBm范圍內變化時,輸出中頻信號變化小于6dBm,如表2所示。經過計算得出相位噪聲為-82dBc/Hz/10kHz。

      4 結語
      本文對射頻前端中幾個重要組成部分進行了分析和仿真,在此基礎上設計了一種適合于編隊飛行的小衛星通信系統射頻前端結構。實驗測試驗證了該系統的合理性,該系統的功耗低、接收靈敏度高、體積小、重量輕,幾項關鍵的預期指標已達到?;仡櫹到y的設計和測試,其中有些指標和措施仍需要改進,如AGC的穩定范圍不是很大,需要結合發射衛星的數控衰減器調節才能實現輸出信號完全穩定,這需要綜合更多的因素對系統整體方案進行更深地研究和改進。

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