小衛星通信系統射頻前端設計

摘要：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。
關鍵詞：小衛星；射頻前端；低噪放；鎖相環；自動增益控制

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。系統結構框圖如圖1所示。

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50～60 dB，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2．3 GHz，功率為-120 dBm；輸出信號為30 MHz，功率大于等于0 dBm。
(2)噪聲系數小于等于2，輸出信號功率信噪比大于等于13 dB。
(3)接收信號在-120～-90 dBm變化時，輸出信號變化小于6 dBm。
(4)相位噪聲小于-80 dBc／Hz／10 kHz。

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。