一種Ku波段鎖相環高頻頭的設計

徐 濤

（安徽四創電子股份有限公司，合肥 230088）

一種Ku波段鎖相環高頻頭的設計

徐 濤

（安徽四創電子股份有限公司，合肥 230088）

高頻頭是一種數字衛星電視信號接收裝置，它能對衛星接收信號進行變頻和放大。本文介紹了一種Ku波段鎖相環高頻頭的工作原理、性能指標、仿真結果、技術難點、實測結果，并在工程實踐中實現批量化生產。

本振；低噪聲放大器；噪聲系數；濾波器

1 引言

隨著我國基于中星九號直播衛星的“村村通” 、“戶戶通”工程的持續推廣以及全球直播衛星產業的快速發展，市場對高頻頭的需求量越來越大，同時也推動了整個高頻頭產業的蓬勃發展，產品的種類越來越多，對性能的要求也越來越高。近年來，國內外VAST、動中通、動中看等移動衛星接收系統產業的快速發展，系統對高頻頭的指標要求越來越高，特別是本振穩定度的要求。傳統的高頻頭本振電路都是采用介質諧振器的方案，其優點是成本低、易產業化批產，但是穩定度一般在±2MHz左右，只能滿足衛星電視接收系統，不能滿足衛星通信等工程領域的需求。衛星通信領域的高頻頭多采用鎖相環方案，具有本振穩定度高、相位噪聲低等特點。本文介紹了一種Ku波段鎖相環高頻頭的設計方法。

2 主要性能指標

2.1 電性能指標要求

表1 電性能指標要求

2.2 環境適應要求

高頻頭工作溫度范圍為-40℃～60℃；相對濕度為10%～100%；對大氣壓要求是86kPa～100kPa。

3 Ku波段鎖相環高頻頭的基本工作原理及系統框圖

3.1 基本工作原理

衛星電視信號經Ku波段天線接收聚焦于高頻頭饋源口處，再由探針（或微帶線）耦合到低噪聲放大器第一級輸入端，經Low Noise Amplifier（LNA）放大后，由帶通濾波器選擇所需的頻段（10.7GHz～12.75GHz），再和本振混頻后產生中頻信號（950MHz～2150MHz），經中頻放大器放大后由射頻同軸連接器輸出到數字衛星接收機（DVB）。

3.2 系統框圖

圖1 Ku鎖相環高頻頭系統框圖

4 Ku鎖相環高頻頭主要單元電路設計

4.1 本振（Oscillator）

由于衛星電視信號多采用數字化方式傳輸，因此要求高頻頭（即下變頻器）的本振具有低相位噪聲，高穩定度等特點。設計中本振信號采用鎖相環的方式實現，而不采用一般高頻頭的介質諧振器方式，以達到上述要求。

圖2 11.3G本振相位噪聲實測圖

設計的本振頻率為11.3GHz，采用6倍頻的方式獲得需要的本振頻率。經過反復多次的調試和實驗，最終得到的本振相噪測試圖如圖2所示，11.3G本振相位噪聲在10kHz處是-87dBc。

圖3 Ku鎖相環高頻頭本振電路PCB圖

4.2 低噪聲放大器（LNA）

Ku波段下變頻器總的噪聲系數：

由式（1）可見，高頻頭的總的噪聲系數主要由系統電路第一級低噪聲放大單元的噪聲系數和增益來決定的。要求LNA不僅要滿足低噪聲的要求，還要保證一定的放大增益，所以在LNA的設計時采用了兩級放大。噪聲系數在二端口網絡中定義為：

式中，Sin為輸入信號功率；Nin為輸入噪聲功率；Sout為輸出信號功率；Nout為輸出噪聲功率。

最后我們使用ADS等仿真軟件經過多次仿真優化，并經過反復多次的匹配電路調試試驗，得到的整個系統的噪聲系數指標為：Nf≤1.2dB；增益G≥60dB。具體的實測框圖如圖4所示。

圖4 高頻頭噪聲和增益的測試圖

4.3 濾波器（Filter）

系統前端的濾波器采用的是鏡像抑制帶通濾波器，通帶為12.25GHz～12.75GHz，鏡像頻帶衰減要求大于40dB。Ku波段衛星高頻頭采用低本振（即本振頻率小于信號頻率），則鏡像頻率相應小于本振頻率。考慮到放大管的增益曲線隨頻率的升高呈反比的特性，LNA對鏡像頻帶內的噪聲也提供相當的放大增益，如果不采取鏡像抑制而直接混頻的話，系統的噪聲系數將嚴重惡化。例如：當信號頻帶和鏡像頻帶內的噪聲一樣時，直接混頻將使整機的系統噪聲系數增加3dB。

本振電路模塊中倍頻電路部分，我們也采用了微帶帶通濾波器。由于PLL350-1875Y芯片輸出的信號頻率是1.883GHz，經過倍頻電路6次倍頻后必須用帶通濾波器選出其6次諧波，才能得到所需的11.3GHz本振信號。

由于Ku波段高頻頭所有電路都集中在一個小腔體中，所以濾波器的尺寸應盡量小，我們選用的是小型交指型微帶濾波器，通過使用ADS優化仿真，并使用矢量網絡分析儀測試修訂。最后我們設計的濾波器性能指標達到：帶內平坦度＜3dB，帶內駐波比＜1.5，鏡像抑制大于40dB。

5 Ku鎖相環高頻頭結構設計

產品的結構設計充分考慮到其性能特點和各種惡劣的工作環境，按照Ku一體化LNB來設計，輸入端饋源采用矩形波導設計，使之具有良好的VSWR和輻射特性。采用饋源一體化結構方式，確保產品有良好的環境適應性、防水、防潮等性能，使產品能夠在各種環境下穩定的接收信號，且更加經濟實用，大大提高了生產效率。產品的腔體采用鋁合金壓鑄成型，鋁合金具有良好的結構強度、耐腐蝕性和易加工鑄造性，從而很好的滿足了產品的結構性能和高可靠性的要求。

射頻輸出接口采用標準的FL10-75ZY接口形式，易于維護。由于工作在室外，工作溫度范圍為-40℃～60℃，相對濕度為10%～100%。接口與饋線連接處采用防水膠帶纏繞保護結構設計，可保護連接處不被雨淋，且易于安裝、操作。產品腔體蓋板和外殼均采用鋁壓鑄件。

6 關鍵技術及解決途徑

Ku波段鎖相環高頻頭的本振電路部分是此項目電路設計的核心部分。在樣品的初調階段，PLL350-1875Y芯片輸出的1.883GHz基頻信號在頻譜儀上顯示時出現了曲線不平滑，有雜波小信號的現象，且中心頻率左右擺動，幅度大概1kHz至2kHz。經過項目組全體成員反復試驗和分析，判定可能是軟件設置問題。最終，我們通過PIC12F510片子軟件設置PLL350-1875Y的存儲器，降低了分頻比，解決了上述問題。

7 結束語

本文介紹了一種本振穩定度高、相位噪聲低的Ku波段鎖相環高頻頭，詳細闡述了本振電路、低噪聲放大器、濾波器等主要電路單元的設計方法、仿真和測試結果，通過調試最終達到了預期的設計指標，提供了一種高性價比的設計方案。

[1] 美Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko著．王子宇，張肇儀，徐承和譯．射頻電路設計--理論與設計[M]．北京：電子工業出版社，2002

[2] 陳艷華，李朝暉，夏瑋．ADS應用詳解-射頻電路設計與仿真[M]．北京：人民郵電出版社，2008

[3] 顧繼慧．微波技術[M]．北京：科學出版社，2004

[4] 謝嘉奎．電子線路[M]．北京：高等教育出版社，2001

[5] 陳邦媛．射頻通信電路[M]．北京：科學出版社，2002

A Design of Ku-Band Locking Phase Oscillator LNBF

Xu Tao
(Anhui Sun Create Electronics Co., Ltd, Hefei, 230088)

The LNBF is a kind of digital satellite TV receiving equipment which can convert and amplify the signal received by satellite. This article introduces a design of Ku-Band two Locking Phase Oscillator LNBF of Anhui Sun Create Electronics Co., Ltd, and describes the principle, performance and indicators, the results of simulation, technical diffculties, and the results of measurement. Batch production of the LNBF was realized in practice.

Local Oscillator; Low Noise Amplifer; Noise Figure; Filter

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.12.005

TN927文獻標示碼：B

1672-7274（2014）12-0024-03

徐 濤，男，1981年生，工程師，長期從事車載移動衛星接收天線和Ku波段下變頻器的工程技術工作。