射電天文接收機(jī)四通道均衡放大模塊研制

寧云煒，閆 浩*，曹 亮，馬 軍，李笑飛，劉 烽，陳 勇

(1. 中國科學(xué)院新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210033；3. 新疆微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011)

中國科學(xué)院新疆天文臺(tái)南山25 m射電望遠(yuǎn)鏡建成于1993年，2016年望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了升級(jí)改造，改造后天線口徑為26 m，主要工作在L，S，C和K波段。接收機(jī)位于26 m射電望遠(yuǎn)鏡雙反射面天線副反射面后的饋源倉，從饋源接收的高頻信號(hào)通過接收機(jī)的下變頻器轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，中頻信號(hào)通過同軸電纜從饋源倉連接到監(jiān)控室。因?yàn)橥S電纜距離較長，導(dǎo)致中頻信號(hào)線損較大，且不同頻段的中頻信號(hào)經(jīng)過饋線時(shí)，線損不同，中頻信號(hào)的輸出功率在每個(gè)頻點(diǎn)不一樣。為了彌補(bǔ)同軸電纜的損耗，維持中頻信號(hào)的增益平坦性，中頻信號(hào)需要等功率分成4路輸出，其中3路信號(hào)分別進(jìn)入脈沖星消色散終端、甚長基線干涉測(cè)量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)系統(tǒng)終端和連續(xù)譜觀測(cè)終端，另外一路進(jìn)入中頻監(jiān)視模塊，如圖1。因此，四通道均衡放大模塊要提供經(jīng)過均衡后的輸出功率曲線。

圖1 中頻系統(tǒng)框圖

2018年，南山26 m射電望遠(yuǎn)鏡更換了新的中頻電纜，更換的電纜規(guī)格為安德魯LDF4-50A 2 × 54 m和邁可博H08 2 × 30 m，在100～600 MHz頻段，新電纜的插損是原電纜的一半。為了對(duì)新電纜傳輸?shù)闹蓄l信號(hào)功率進(jìn)行均衡放大，我們需要研制新的均衡放大模塊，以滿足射電天文接收機(jī)中頻系統(tǒng)的需求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

南山26 m射電望遠(yuǎn)鏡各頻段中頻信號(hào)經(jīng)過同軸電纜后的線損如圖2。從系統(tǒng)整體規(guī)劃的角度出發(fā)，我們首先考慮如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體性能的最優(yōu)化，再根據(jù)單元組件的具體指標(biāo)需求，結(jié)合單元組件選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

1.1 均衡放大模塊鏈路設(shè)計(jì)

四通道均衡放大模塊首先要實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的功率均衡和放大，由圖2可知，在L，S，C和K 4個(gè)頻段的中頻信號(hào)中，K頻段右旋極化信號(hào)功率的斜率最大，最高功率和最低功率的插值為9 dBm；S頻段左旋極化信號(hào)功率的斜率最小，插值為3 dBm。如果把均衡電路置于功率放大器之后[1]，放大器的功率放大效能會(huì)進(jìn)一步增加各頻段的斜率[2]，導(dǎo)致均衡器的設(shè)計(jì)難度增加[3]，因此把均衡器置于功率放大器之前。實(shí)現(xiàn)四通道輸出，在功率放大器后需要加一個(gè)一分四功率分配器。整個(gè)鏈路如圖3。

圖2 南山26 m射電天文接收機(jī)各頻段中頻信號(hào)線損

圖3 四通道均衡放大模塊鏈路框圖

1.2 鏈路的功率平坦度

均衡放大模塊最核心的功能是對(duì)中頻信號(hào)經(jīng)過線損的功率平坦度進(jìn)行補(bǔ)償。均衡放大模塊中的功率放大器和功率分配器本身的特性也會(huì)對(duì)功率平坦度產(chǎn)生影響，這是均衡電路對(duì)中頻信號(hào)的功率平坦度進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)必須考慮的問題[4]。設(shè)計(jì)采用的功率放大器為Minicircuit公司的GVA-60+，工作頻率為10～5 000 MHz，在整個(gè)頻帶內(nèi)具有較好的增益平坦度。但是由于放大器本身的米勒效應(yīng)，放大器在中頻100～600 MHz內(nèi)的增益平坦度不一致，并和線損的增益平坦度呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，低頻增益大，高頻增益小。功率放大器的增益如圖4。功率分配器采用Minicircuit公司的JS4PS-1W+，工作頻率為5～1 000 MHz。功率分配器1路通道輸入，4路通道輸出，4個(gè)通道的插入損耗如圖5。

圖4 功率放大器增益

圖5 功率分配器插入損耗

2 均衡器設(shè)計(jì)

均衡器是四通道均衡放大模塊最核心的器件。射頻均衡器按是否需要供電可以分為有源[5]和無源均衡器，一般工程上多采用無源均衡器。

常用的無源均衡器從結(jié)構(gòu)上可以分為波導(dǎo)型、同軸型和微帶型[6-9]，表1比較了3種類型均衡器的特性。本設(shè)計(jì)首先排除了同軸和波導(dǎo)均衡器，這兩種均衡器體積大、質(zhì)量大且不易集成。微帶均衡器成本低且易于集成，非常適合微波頻段的均衡器設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的均衡器要求工作在100～600 MHz頻段，由于微帶均衡器的微帶線長度和頻率成正比，按照此頻段設(shè)計(jì)的微帶均衡器面積過大，導(dǎo)致加工成本大幅提高且不易集成。最后綜合考慮，設(shè)計(jì)采用集總元件和微帶線結(jié)合的均衡器電路[10]。集總元件包括村田公司貼片電容、電感和電阻，微帶線除了連接集總元件外，還通過調(diào)節(jié)微帶線的長度和寬度來調(diào)節(jié)均衡器的阻抗匹配。這種集總元件和微帶線結(jié)合的方式極大地減小了電路面積，從而降低加工成本，且易于集成。

表1 無源均衡器比較

2.1 均衡器設(shè)計(jì)的理論分析

均衡器不像其他的無源器件如功分器、耦合器和濾波器等設(shè)計(jì)理論成熟。均衡器目前的理論設(shè)計(jì)有原型電路歸納法、實(shí)頻法[11]和達(dá)林頓網(wǎng)絡(luò)綜合法，這3種理論設(shè)計(jì)方法在指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)的工程問題時(shí)，都有一定的局限性。

計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法從具有均衡特性的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，是一種基于計(jì)算機(jī)仿真的設(shè)計(jì)方法，在建立電路模型的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)優(yōu)化仿真來逼近要求達(dá)到的均衡量。

計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)法的主要步驟是首先根據(jù)指標(biāo)要求選出合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后合理選擇初值和掃參優(yōu)化類型。很多仿真軟件都可以用于均衡器的設(shè)計(jì)，如HFSS，CST和ADS等等。ADS軟件仿真板級(jí)電路具有速度快、容易建模的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用ADS仿真軟件進(jìn)行四通道均衡放大模塊的設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)法最重要的是確定初始電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，初始電路結(jié)構(gòu)直接決定仿真時(shí)間和最后的結(jié)果。計(jì)算機(jī)優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)流程如圖6。

圖6 計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

2.2 均衡器仿真設(shè)計(jì)

通過對(duì)各種集總元件均衡器電路結(jié)構(gòu)的嘗試，最后確定均衡器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7。均衡器的均衡效應(yīng)主要由集總元件完成，集總元件間用微帶線連接。除了連接作用，通過優(yōu)化微帶線的長度和寬度，可以更好地和功率放大器匹配，以改善駐波。均衡器電路仿真完成后，將功率放大器和功分器的S參數(shù)生成snp文件，和均衡器一起進(jìn)行整個(gè)鏈路的仿真。ADS的原理圖仿真沒有考慮實(shí)際微帶電路的寄生和耦合效應(yīng)，為了仿真結(jié)果和實(shí)際電路更接近，我們需要把原理圖生成版圖，并且把理想的電容、電感模型替換為實(shí)際電容、電感模型。通過計(jì)算機(jī)優(yōu)化，最后四通道均衡放大模塊的回波損耗仿真結(jié)果如圖8，均衡器仿真結(jié)果如圖9。

圖7 均衡器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖8 四通道均衡放大模塊回波損耗仿真結(jié)果

圖9 四通道均衡放大模塊均衡器仿真結(jié)果

3 四通道均衡放大模塊加工調(diào)試測(cè)試

版圖仿真全部完成后，去掉集總元件及功率放大器和功分器模型，把微帶線版圖導(dǎo)入AutoCAD，在AutoCAD中添加功率放大器直流偏置外圍電路，并在版圖適當(dāng)?shù)牡胤郊尤氪竺娣e通孔鋪地，以減少信號(hào)之間的串?dāng)_。電路板加工采用Rogers公司的基板。四通道均衡放大模塊的電路板加工實(shí)物如圖10。把集總元件、功率放大器及功分器焊接到電路板，并把電路板放入加工好的腔體。

圖10 四通道均衡放大模塊電路版圖

最后，四通道均衡放大模塊輸入端口和中頻同軸電纜連接，其他輸出端口連接匹配負(fù)載，頻譜儀和OUTPUT1端口連接進(jìn)行測(cè)試，如圖11。測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果會(huì)有誤差，可以通過微調(diào)均衡器集總電容、電感和電阻及功率放大器的直流偏置來對(duì)整個(gè)均衡放大模塊的均衡量進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳值。圖12為頻譜分析儀測(cè)試中頻信號(hào)經(jīng)過四通道均衡放大模塊其中一個(gè)通道的功率。和圖1比較，各頻段中頻信號(hào)的功率平坦度都得到明顯改善。剩余3個(gè)通道的功率和圖12的功率相似，有±0.2 dBm的波動(dòng)，端口隔離度優(yōu)于-40 dB。

圖11 四通道均衡放大模塊完整實(shí)物

圖12 中頻信號(hào)經(jīng)過均衡放大模塊的功率

4 總 結(jié)

本文使用ADS仿真軟件，采用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)了射電天文接收機(jī)的中頻信號(hào)四通道均衡放大模塊。為了減少電路板面積，降低成本，本文采用集總元件和微帶線相結(jié)合的方式。該均衡放大模塊兼顧了射電天文接收機(jī)L，S，C和K頻段及左旋和右旋共8種信號(hào)通過下變頻后的中頻信號(hào)，對(duì)中頻信號(hào)的線損進(jìn)行功率均衡，改善中頻信號(hào)的功率平坦度。測(cè)試結(jié)果表明，8種中頻信號(hào)的功率平坦度都得到了明顯改善，達(dá)到了射電天文接收機(jī)中頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的指標(biāo)要求。