Ku波段衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計與實現(xiàn)

程龍寶 佘麗佳 仝紅霞 劉世劼 于翔

摘要：論述了一種Ku波段衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器的實現(xiàn)方法與技術(shù)途徑，包括變頻單元和信道處理單元兩部分。對一些主要部件進行了簡要的理論分析，并給出微波電路仿真結(jié)果和設(shè)計形式，最后得出轉(zhuǎn)發(fā)器的測試結(jié)果。

關(guān)鍵詞：Ku波段；衛(wèi)星通信；轉(zhuǎn)發(fā)器；自動增益控制

中圖分類號：TN927 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0177-02

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器是通信衛(wèi)星和中繼衛(wèi)星的核心，依據(jù)是否對轉(zhuǎn)發(fā)信號進行處理，可將轉(zhuǎn)發(fā)器分為“透明”轉(zhuǎn)發(fā)器和“處理”轉(zhuǎn)發(fā)器[1]。透明轉(zhuǎn)發(fā)器收到地面發(fā)來的信號，除進行低噪聲放大、變頻、功率放大外不做任何加工處理，它對工作頻帶內(nèi)的任何信號都是“透明”的通路；處理轉(zhuǎn)發(fā)器除了轉(zhuǎn)發(fā)信號外，還具有信號處理功能。星上的信號處理，主要包括對信號進行解調(diào)再生和其它的信號變換和處理，再就是在多波束通信中對信號進行星上切換和處理[2]。本文設(shè)計了一種用于中繼衛(wèi)星的全透明轉(zhuǎn)發(fā)器，依據(jù)不同用戶星的軌道需求，具有增益調(diào)節(jié)功能，可進行發(fā)射功率的調(diào)整。

1 轉(zhuǎn)發(fā)器組成和指標要求

Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器主要由變頻單元和信道處理單元兩部分組成，轉(zhuǎn)發(fā)器的變頻體制按其變頻次數(shù)可分為一次變頻和二次變頻。本文采用一次變頻體制，具有無頻譜倒置、集成度高、性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單等特點。變頻單元和信道處理單元原理框圖分別如圖1和圖2所示。

根據(jù)原理框圖，變頻單元主要由混頻模塊、本振放大模塊、中頻放大模塊和電源部分組成；信道處理單元主要由可變增益放大模塊、檢波增益控制模塊、驅(qū)動模塊和電源部分組成。

2 關(guān)鍵電路設(shè)計與測試

2.1 本振放大模塊設(shè)計

2.1.1 匹配電路設(shè)計

在源和負載之間插入一個無源匹配網(wǎng)絡(luò)，可以使負載阻抗與源阻抗相匹配，從而實現(xiàn)最大的功率傳輸。在低頻頻段采用分立元件網(wǎng)絡(luò)就能實現(xiàn)，而在射頻頻段，分立元件的寄生參數(shù)效應就變得更加明顯，通常采用微帶線和微帶短截線等分布參數(shù)元件來代替分立元件而構(gòu)成匹配網(wǎng)絡(luò)[3]。

2.1.2 電路仿真優(yōu)化及測試

設(shè)計選定放大器靜態(tài)工作點為Vds=2V，Ids=10mA，采用陶瓷基板，介電常數(shù)εr=9.8，基板厚度H=0.254mm。使用計算機輔助設(shè)計軟件ADS進行原理圖和版圖仿真，根據(jù)仿真結(jié)果可知放大器在整個工作頻帶內(nèi)絕對穩(wěn)定。經(jīng)過測試得到本振放大器在需要的信號帶寬內(nèi)增益大于20dB，增益波動小于±0.2dB，滿足設(shè)計要求。

2.2 信道處理單元設(shè)計

Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器信道處理單元完成射頻信號的衰減、增益放大、限幅放大、功率檢波和功率衰減等功能，具有自動增益控制工作模式和線性放大工作模式。設(shè)計信道處理單元在自動增益控制工作模式時增益為30.5dB，線性工作模式時增益為23.5dB，增益變化如圖3所示。

2.3 Ku波段腔體濾波器設(shè)計與測試

Ku波段腔體濾波器各諧振單元之間主要是通過磁場進行耦合。根據(jù)濾波器的通帶頻率選擇已知電磁場解的諧振單元，構(gòu)造單腔。實際濾波器中單個腔體的尺寸一致；再利用三維全波電磁仿真軟件Ansoft HFSS進行本征模分析，本征模式是結(jié)構(gòu)的諧振頻率，基于有限元算法的HFSS采用本征模式求解器求出該結(jié)構(gòu)的諧振頻率[4]。

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對濾波器進行測試，實測結(jié)果是帶內(nèi)插損<2.5dB，回波損耗<-20dB， -1dB帶寬>50MHz，帶外抑制f0±200MHz>50dBc，理論仿真與實測結(jié)果較吻合。

3 Ku波段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器測試結(jié)果

該轉(zhuǎn)發(fā)器已完成樣機研制，經(jīng)測試各項性能均達到或優(yōu)于指標要求。測試數(shù)據(jù)如表1所示，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文研制了基于微組裝工藝的高性能本振放大器、射頻濾波器、自動增益控制放大器和射頻濾波器等組件，實現(xiàn)了Ku/Ku射頻信號的頻譜搬移和信道處理，為進一步開展衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器工程化研制的積累了經(jīng)驗。

參考文獻

[1]周仲林，楊建軍.通信衛(wèi)星Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)的研究[J].電訊技術(shù)，1997，（2）：43-55.

[2]成躍進.Ka波段通信衛(wèi)星與Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)[J].空間電子技術(shù)，2000，（2）：20-31.

[3]程龍寶，趙濤，黃凱旋.深空探測X波段低噪聲放大器研究和設(shè)計[C].中國宇航學會深空探測技術(shù)委員會第八屆學術(shù)年會，2011，（10）：434-438.

[4]peizhang wang， Guang lei. Up-converter and down-converter design for S-Ku band.CJW2011，2011.

Abstract：This paper discusses a realization method and technical approach of a Ku-band satellite transparent transponder， including two parts of frequency conversion unit and channel processing unit. A brief theoretical analysis of some major components was conducted， and the microwave circuit simulation results and design forms were given. Finally， the test results of the repeater were obtained.

Key words：Ku band； satellite communication； transponder； automatic gain control