某深空探測(cè)系統(tǒng)高靈敏度接收前端研制

花婷婷

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

繼衛(wèi)星應(yīng)用、載人航天之后，人類的宇宙探索已經(jīng)步入深空領(lǐng)域。深空探測(cè)是指人類航天器對(duì)太陽(yáng)系內(nèi)除地球之外的各大行星及其衛(wèi)星、小行星和彗星等的探測(cè)，深空探測(cè)能力反映了國(guó)家的綜合國(guó)力和核心競(jìng)爭(zhēng)力[1]。在深空探測(cè)活動(dòng)中，由于各種宇宙背景噪聲的影響，回波信號(hào)及極其微弱，因此研制高靈敏度的模擬接收前端成為深空探測(cè)系統(tǒng)確保通信正常、改善路徑損失最行之有效的方法之一。

本文設(shè)計(jì)的高靈敏度接收前端組件位于水平/垂直極化天線輸出端與射頻直接數(shù)字化單元的輸入端之間，組件由限幅濾波低噪放單元、通帶選擇單元、自動(dòng)增益控制單元和校正單元等組成，主要負(fù)責(zé)將天線回波信號(hào)進(jìn)行限幅濾波低噪聲放大，然后輸入給通帶選擇單元進(jìn)行選擇濾波輸出后再進(jìn)行功率補(bǔ)償放大，最后輸出信號(hào)被送入后面的射頻直接數(shù)字化單元處理。對(duì)于應(yīng)用在深空探測(cè)領(lǐng)域的模擬接收前端來(lái)說(shuō),首先要保證靈敏度達(dá)到系統(tǒng)指標(biāo)要求，同時(shí)兼顧諧雜波抑制、通道穩(wěn)定性和通道間一致性等指標(biāo)。此外,在滿足系統(tǒng)電性能技術(shù)指標(biāo)的前提下, 由于應(yīng)用在深空探測(cè)領(lǐng)域，應(yīng)該重點(diǎn)考慮以下幾方面的內(nèi)容，一是把繼承性放在首位，最大限度地采用已經(jīng)驗(yàn)證或成熟的器件和技術(shù)；二是盡量降低系統(tǒng)復(fù)雜度，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案,保證設(shè)計(jì)可靠性[2]。依據(jù)上述思路,本文設(shè)計(jì)了一種高靈敏度接收前端組件,給出了其實(shí)現(xiàn)方案、主要指標(biāo)分析,并給出了設(shè)計(jì)完成的電性件測(cè)試結(jié)果。

1 電路設(shè)計(jì)

接收前端組件原理如圖1所示。雷達(dá)模式下同時(shí)兩路模擬接收通道進(jìn)行回波信號(hào)接收，水平極化天線模擬接收鏈路包括接收耦合、限幅器、低通濾波器、低噪放、通帶選擇單元、AGC放大濾波，垂直極化天線模擬接收鏈路與水平極化完全相同。校正單元用于調(diào)整校正信號(hào)幅度以及增益線性度定標(biāo)，其中低通濾波器和數(shù)控衰減器與接收通道中的相同。

1.1 限幅濾波低噪放單元設(shè)計(jì)

限幅濾波低噪放單元主要由接收耦合器、限幅器、低通濾波器及低噪聲放大器組成。考慮到航天電路體積重量等限制，將微帶耦合電路和整流二極管限幅電路合在一起做成表貼模塊，原理如圖2所示。該耦合限幅器可以避免由于天線開路、發(fā)射功率全反射而造成的對(duì)接收系統(tǒng)的傷害，當(dāng)未達(dá)到限幅器啟動(dòng)的功率，微波信號(hào)也可以接近無(wú)損地通過。微波信號(hào)緊接著經(jīng)過前端預(yù)選低通濾波器來(lái)抑制外部干擾和噪聲后，送入低噪聲放大器進(jìn)行放大和輸出。

圖2 帶耦合功能的限幅器原理圖

由接收系統(tǒng)分配增益和級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)計(jì)算公式[3]可知，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要由前級(jí)放大器的噪聲系數(shù)決定，前級(jí)放大器的增益越高，后級(jí)電路對(duì)噪聲系數(shù)的影響就越小，而接收系統(tǒng)帶寬確定后，噪聲系數(shù)又決定了系統(tǒng)靈敏度。根據(jù)靈敏度傳統(tǒng)的經(jīng)典定義，對(duì)接收系統(tǒng)而言，雷達(dá)能夠檢測(cè)到的最小信號(hào)能量為在信號(hào)帶寬內(nèi)常溫下等效到接收系統(tǒng)輸入端的白噪聲功率電平(此時(shí)，輸出端的信噪比為1)，其值為：

Simin(dBm)=-114+10lgBW(MHz)+NF(dB)

其中BW為信號(hào)帶寬，NF為噪聲系數(shù)，所以要提高接收前端的靈敏度，必須盡量減小信號(hào)帶寬，減小系統(tǒng)的噪聲系數(shù)[4]。通過計(jì)算鏈路增益分配，選擇第一級(jí)低噪放的增益大于等于18 dB，噪聲系數(shù)小于等于2.5 dB。

1.2 通帶選擇單元設(shè)計(jì)

通帶選擇單元為信號(hào)提供分段濾波選頻，將寬帶信號(hào)變?yōu)檎瓗盘?hào)，從而提高接收靈敏度。通帶選擇單元主要由GaAs射頻開關(guān)、LC濾波器等單元構(gòu)成，濾波器將雜波信號(hào)抑制到要求的電平，最后由開關(guān)選通后輸出，原理圖如圖3所示。

圖3 通帶選擇單元原理圖

根據(jù)帶外抑制指標(biāo)要求，選用成熟的5階契比雪夫電路設(shè)計(jì)三款帶通濾波器，并采用相同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，控制電感的數(shù)量，即每個(gè)濾波器中電感種類為3個(gè)。其中單個(gè)通帶濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，經(jīng)過仿真優(yōu)化得到的通帶2傳輸特性和群延時(shí)特性曲線如圖5所示?？梢钥吹? 濾波器通帶的插入損耗控制在1 dB以下，仿真計(jì)算濾波器的通帶延時(shí)最大為130 ns，而射頻開關(guān)的最大開關(guān)時(shí)間小于20 ns，所以通道切換時(shí)間小于170 ns，滿足系統(tǒng)小于200 ns的指標(biāo)要求。

圖4 帶通濾波器拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)

圖5 通帶選擇單元通帶2濾波器仿真特性曲線

1.3 自動(dòng)增益控制單元設(shè)計(jì)

天線回波信號(hào)經(jīng)低噪放和通道選擇單元處理后得到系統(tǒng)所需的基帶信號(hào)，為了保證后續(xù)射頻直接數(shù)字化單元能夠準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換信號(hào)，基帶信號(hào)必須經(jīng)過自動(dòng)增益控制單元進(jìn)行功率調(diào)整，從而提高整體接收性能[5]。自動(dòng)增益控制單元在整個(gè)射頻前端中的作用是：對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償放大，對(duì)強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行衰減調(diào)整，保證信號(hào)幅度在射頻直接數(shù)字化單元ADC輸入的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。

自動(dòng)增益控制單元電路設(shè)計(jì)方案如圖6所示，主要由固定增益放大器和數(shù)控衰減器組成。選用的固定增益放大器抗輻照總劑量可達(dá)300 Krad(Si)，可滿足宇航長(zhǎng)壽命工作要求，同時(shí)具有工作頻帶寬、噪聲低、溫度性能好等顯著特點(diǎn)。由于單片放大器的增益只有18 dB，輸出1 dB壓縮點(diǎn)高達(dá)14 dBm，故采用三級(jí)級(jí)聯(lián)的形式，并在之間加入數(shù)控衰減器和π形衰減網(wǎng)絡(luò)來(lái)加強(qiáng)隔離，避免級(jí)聯(lián)增益過大引起的自激。自動(dòng)增益控制采用6位控制形式的數(shù)控衰減器實(shí)現(xiàn)，其可提供 0～31.5 dB范圍，步長(zhǎng)為0.5 dB 的衰減，數(shù)控衰減碼由系統(tǒng)通過通信接口傳遞給控制電路并由微控制器負(fù)責(zé)具體控制。此自動(dòng)增益控制單元電路的放大-衰減-放大結(jié)構(gòu)，既保證了較小的噪聲系數(shù)又減小了輸入過載輸出飽和的幾率，可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)功率穩(wěn)定在+6 dBm左右，滿足后級(jí)ADC對(duì)輸入信號(hào)的功率要求。

1.4 校正單元設(shè)計(jì)

深空探測(cè)系統(tǒng)雷達(dá)載荷是一個(gè)用于科學(xué)探測(cè)的儀器，雷達(dá)系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和科學(xué)探測(cè)性能影響較大，需要進(jìn)行校正，其穩(wěn)定性和誤差分析可用于后續(xù)處理修正。

圖6 自動(dòng)增益控制單元電路

校正模式用于雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)之前，DDS根據(jù)協(xié)議控制指令，逐次產(chǎn)生點(diǎn)頻信號(hào)，經(jīng)過校正單元、耦合網(wǎng)絡(luò)回到接收通道。在通道中完成數(shù)據(jù)采集，并送到信號(hào)處理模塊。用理想通道對(duì)其它通道進(jìn)行幅相相除得到校正系數(shù)，從而解算出用于幅相值修正的數(shù)據(jù)表，將其存儲(chǔ)于信號(hào)處理分系統(tǒng)的DBF插件。除對(duì)模擬接收進(jìn)行校正外，校正單元也可以對(duì)系統(tǒng)的模擬發(fā)射進(jìn)行標(biāo)定，通過一個(gè)輸入二

選一開關(guān)選擇發(fā)射耦合入信號(hào)，經(jīng)過AGC定標(biāo)處理后通過輸出射頻開關(guān)進(jìn)行數(shù)字接收處理，校正單元電路如圖7所示。

圖7 校正單元電路

2 接收前端組裝和測(cè)試

接收前端電路為雙面布局設(shè)計(jì)，正面為通道部分，背面為校正和電源部分?？紤]到微波電子設(shè)備的屏蔽和防干擾，各功能電路之間由隔板隔開，同時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用對(duì)稱工整的結(jié)構(gòu)形式，減少了機(jī)加過程殘留應(yīng)力給產(chǎn)品帶來(lái)的外部形變。設(shè)計(jì)完成的接收前端組件外形如圖8所示。

圖8 接收前端組件外形圖

對(duì)接收前端組件實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如下:

接收前端電路噪聲系數(shù)最低為2.345 dB，配合滿量程2.2伏12位ADC靈敏度達(dá)-102 dBm。

項(xiàng)目測(cè)試值通道增益/dB通道噪聲系數(shù)/dB瞬時(shí)動(dòng)態(tài)/dB諧雜波抑制/dBc功耗/W51.99～53.772.345～3.3095045.985

3 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了高靈敏度接收前端在深空探測(cè)領(lǐng)域信號(hào)通信中的重要性，給出了接收前端設(shè)計(jì)框圖，對(duì)限幅濾波低噪放單元、通帶選擇單元、自動(dòng)增益控制單元和校正單元的電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過對(duì)噪聲系數(shù)、增益、信號(hào)帶寬等指標(biāo)的分析與權(quán)衡，可滿足系統(tǒng)的高靈敏度要求，同時(shí)自動(dòng)增益控制的設(shè)計(jì)使得接收前端在寬頻帶內(nèi)能夠輸出穩(wěn)定，有利于后級(jí)ADC數(shù)字信號(hào)處理。結(jié)構(gòu)上采用雙面布局的高集成小型化設(shè)計(jì)，滿足了星載產(chǎn)品體積重量限制。