Ka頻段衛星地面站接收信道設計

1 引言

進入21世紀，隨著信息全面化及全球巨大的個人多媒體通信流量與無縫隙覆蓋需求，衛星通信已成為當今世界上最重要的通信手段之一，它發揮著愈來愈重要的作用。隨著低端頻率的頻譜資源及GEO衛星軌道資源的緊缺與擁塞，已不能滿足高速、寬帶等諸多應用的需求。由于Ka頻段以上的衛星通信系統具有可用帶寬寬，干擾少，設備體積小的特點，在衛星通信及各種形式的衛星地面站中的應用也日益廣泛。目前在國內地面接力通信系統中，Ka頻段收發射設備的技術已比較成熟。但衛星通信地面站的收發設備的研制技術還有一定差距，因此Ka頻段衛星通信地面站射頻單元關鍵技術及關鍵設備的研制刻不容緩。

2 地面站接收單元組成與工作原理

在開展Ka頻段地面站射頻單元關鍵技術的研究中，根據需求為固定站和移動站提供體積小、重量輕、成本低、高可靠性的室外單元是發展方向。地面站射頻單元由發射單元和接收單元組成。本文介紹的地面站接收單元是與Ka頻段射頻發射單元配套的下行信道部分，圖1是接收單元信道組成方框圖，來自Ka頻段地面站天線雙工器接收輸出端的20.3 GHz～20.8 GHz的射頻信號，經低噪聲放大器（LNA）放大，然后接入通帶為20.3~20.8 GHz的帶同濾波器，此帶通濾波器對鏡頻和其它帶外雜波有較強的抑制特性。然后與Ka波段接收鎖相本振源輸出的19.35 GHz的本振信號進行單平衡混頻，其差頻信號即為950 MHz~1 450 MHz的L頻段中頻信號，經通帶為950 MHz~1 450 MHz 的帶通濾波器，濾除各種組合干擾頻率信號，再經過L波段中頻放大器放大后輸出給室內單元(IDU)。

圖1 Ka頻段衛星通信地面站接收信道框圖

根據Ka頻段接收單元的設計方案已知系統的主要技術指標為：

1）輸入頻率范圍： 20.3 GHz～20.8 GHz

2）輸出頻率范圍： 950 MHz～1 450 MHz

3）LNA噪聲系數： ≤2.5 dB

4）鏡頻抑制： ≥60 dB

5）雜散輸出： -50 dBc（500 MHz帶內） -60 dBc（500 MHz帶外）

3 接收單元設計思想

隨著半導體及集成技術的飛速發展，設備的集成化程度越來越高。在Ka頻段已有滿足要求的低噪聲放大器、混頻器等集成模塊，可以直接應用到系統中。所以在Ka頻段接收單元在設計過程中實現小型化、模塊化、和通用化的設計思路貫穿始終。在系統設計中關鍵部件均選用相應的單片集成（MMIC）模塊，因此使得系統的研制即節省了時間又保證了設備的可維修性，同時提高了可靠性。接收單元中關鍵部件就是低噪聲放大器，它要具有低噪聲系數、高增益、大動態范圍的特點。綜合考慮選用了Triqunt司的低噪聲集成放大器TGA1319A-EPU；其次單邊帶下變頻混頻器采用Hittite公司的單片集成平衡混頻模塊HMC260；中頻放大器也采用了相應的集成模塊。為了能使混頻器產生的鏡頻和其它帶外雜散得到很好的抑制，輸入帶通濾波器采用了帶外抑制很強的E面波導金屬膜片帶通濾波器。Ka頻段接收單元的電路組成結構見圖2。

圖2 接收信道電路圖

4 接收單元仿真設計及指標分析

4.1 接收單元拓撲電路

在設備進入實質性的設計與研制之前應用EDA軟件對系統進行仿真優化設計，參照接收單元的主要技術指標要求及選用的各個器件。應用ADS微波設計軟件對接收單元的信道部分進行了系統仿真優化設計。接收單元的仿真拓撲電路見圖3，根據拓撲電路選擇相應的Simulation Controller對接收信道的主要指標分別進行仿真優化，并得出仿真結果。

圖3 接收信道仿真拓撲電路