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卫星通信低噪声放大器设计研究

2021/03/23 阅读:

摘要:采用高频电路仿真软件ADS,结合高频电磁仿真软件HFSS,进行联合仿真,设计了一种低噪声放大器,适用于Ku频段卫星通信接收通道。在频率11.45GHz-12.75GHz范围内,噪声系数小于0.80dB,端口输入驻波小于-17.0dB,有一定的实用价值。

关键词:噪声系数;低噪声放大器;卫星通信

在卫星通信系统中,矩形波导有较低的差损特性。在天线溃电网络、接收机等设备中,矩形波导作为三维结构的无源器件,得到广泛使用。有源电路如固态芯片一般是基于二维微带电路设计,在有源电路和无源波导集成的系统中,需要二维结构和三维结构之间的过渡,一般采用波导微带过渡的形式。说到卫星通信,不得不说接收机,它是卫星通信下行链路建立的关键设备,接收机的噪声系数指标和天线的增益指标,直接决定系统的G/T值。而G/T值是衡量卫星通信系统下行链路的关键指标,决定系统接收信号的好坏,决定系统接收质量的好坏。接收机设计的关键就是低噪声放大器的设计,而低噪声放大器设计的关键,就是噪声系数指标和输入驻波特性。低噪声放大器设计,需要根据低噪声管的管芯阻抗特性参数,设计相应的输入匹配以及相应的噪声匹配。设计一种匹配,设计起来比较容易实现,难就难在怎么把输入匹配和噪声匹配都设计好[1]。实现噪声匹配的时候,输入匹配也不差,这是一个矛盾的两个参数,往往把一个指标匹配好了,另一个指标要变差,反之也是如此。所以设计时需要找到一个平衡点,让两者离最佳匹配点尽可能近,两者的指标都可以接受。本文给大家介绍一种适用于卫星通信的Ku扩展频段低噪声放大器,采用波导到同轴再到微带线的形式设计无源过渡部分;采用最佳噪声匹配,同时优化输入匹配,设计有源放大部分。

1低噪声放大器设计

低噪声放大器设计原理图如图1所示。它由两部分组成:一个是无源电路部分——波导同轴微带过渡;另外一个是有源电路部分——低噪声放大。无源电路实现波导三维结构与微带平面二维结构之间的过渡;有源电路实现对高频微弱信号的低噪声放大。在三维高频电磁仿真软件HFSS里,建立了一种波导同轴微带探针过渡的HFSS仿真模型,如图2(a)所示,波导选用WR-75标准波导。该模型在波导的E面中心插入同轴探针,通过调整同轴探针距波导短路面的距离、同轴探针插入的深度、同轴探针的尺寸等参数,优化端口输入驻波。建模时,选用20mil厚度的RO3003作为基板材料,选用聚四氟乙烯作为绝缘子,选用铜作为导体材料。将绝缘子的高度设置为2mm,绝缘子的直径设置为参数fei1,将探针的直径设置为参数fei2,探针的高度设置为参数h1,将波导短路面与探针的距离设置为参数s。在HFSS中,改变各参数值,优化端口输入驻波。优化后的端口输入驻波曲线如图2(b)所示。在频率11.0GHz–14.0GHz的频带范围内,端口输入驻波小于-20.0dB。该模型可以将矩形波导中的TE10模过渡到微带线的准TEM波,性能良好。表1列出了优化后的各参数值。在电路仿真软件ADS中建立低噪声放大器的仿真模型,如图3(a)所示。添加低噪声放大器设计常用的功能控件,如稳定性因子、频率扫描等。该低噪声放大器采用3级低噪放管的结构形式:第一级的输入采用最佳噪声匹配,第一级和第二级间考虑最佳噪声匹配同时兼顾输入匹配,第二级和第三级间考虑最大增益匹配同时兼顾输出匹配,第三极输出匹配考虑最佳输出匹配[2]。在设计输入匹配时,把波导同轴微带转换、输入匹配网络在HFSS中建模,仿真优化结果导成s2p文件[3],在ADS中建模引用,进行联合仿真。在高频,尤其到Ku频段或Ka频段,必须把影响输入匹配的各种因素考虑进去,包括结构的、空间耦合的等因素。根据以往的设计发现,这样设计仿真的结果和实际的测试结果吻合度较高。在频率11.45GHz–12.75GHz的频带范围内,输入驻波小于-19.8dB,如图3(b)所示;噪声系数小于0.60dB,如图3(c)所示;增益大于34.25dB,如图3(d)所示。从仿真曲线看,该设计能够很好的满足使用要求。根据仿真模型进行结构设计,绘制PCB图。进行结构设计时,考虑腔体的独立性,为了防止信号从一个腔体串扰到另一个腔体,防止自激产生,应该采取如下措施:(1)设计3个小腔,每个腔体里放置一级放大器;腔体之间通过隔直电容连接;腔体盖上贴吸波材料。(2)上下层分腔,电源板置于上层腔体,射频板置(3)腔体的自有频率尽量高,远离有用频率。根据以上仿真模型和PCB、腔体设计的注意事项,制作出了实物,图4给出了Ku扩展频段低噪声放大器的实物图。该实物的外形尺寸是:60mm×38mm×38mm。输入采用标准矩形波导,型号WR75;输出接口采用玻珠烧结,外接2.92-K接头。

2测试分析

利用矢量网络分析仪构建测试环境、测试增益和输入驻波特性。在卫星接收Ku频段内,端口输入驻波小于-17dB,增益大于29.3dB,如图5(a)所示。利用噪声系数分析仪,构建测试环境,测试噪声系数特性。在接收频带内噪声系数小于1.03dB,减去接头损耗0.2dB,真实值小于0.80dB,如图5(b)所示。从实测曲线可以看出,设计的Ku扩展频段低噪声放大器具有带宽大、噪声低、端口输入驻波优的特点。图5(a)矢网实测曲线图5(b)噪声仪实测表

3结束语

本文设计的扩展频段低噪声放大器,适用于Ku频段卫星通信。在卫星接收Ku频段内,端口输入驻波小于-17dB,噪声系数小于0.80dB,实测值和仿真值吻合度较好。该设计频带宽大、噪声低、输入驻波优,在卫星通信地面接收系统中,具有一定的实用价值;该设计可以用于Ku频段卫星通信的接收机、收发信机等产品中,有一定的推广价值;本文介绍的设计方法,对Ka频段的低噪声放大器的设计,有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]张炜,冯全源.一种新型输入匹配结构在低噪声放大器中的应用[J].微电子学,2007(03):425-427+431.

[2]陈冠.折叠共源共栅低噪声放大器设计[D].成都:西南交通大学,2009.

[3]林富平.X波段六位数字移相器研究[D].成都:电子科技大学,2009.

作者:刘其强 于祥 陶辉华 单位:南京熊猫汉达科技有限公司

卫星通信低噪声放大器设计研究

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