摘要：闡述了小衛(wèi)星的發(fā)展背景、工作模式及技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)，介紹了小衛(wèi)星采用的射頻前端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為了系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足星問(wèn)通信的要求，對(duì)系統(tǒng)中低噪放電路、鎖相環(huán)電路、自動(dòng)增益控制電路的工作原理和重要指標(biāo)進(jìn)行了分析。采用ADS，ADIsimPLL軟件仿真，得出適合要求的電路結(jié)構(gòu)。最終制作出系統(tǒng)電路板并調(diào)試實(shí)現(xiàn)預(yù)期指標(biāo)。
0 引言
在20世紀(jì)90年代小衛(wèi)星概念提出以前，應(yīng)用衛(wèi)星技術(shù)主要靠單顆衛(wèi)星來(lái)發(fā)揮作用，多種科研任務(wù)集中在一顆衛(wèi)星上，甚至有些任務(wù)是相互沖突的，這不僅延長(zhǎng)了研制周期，也增大了系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。而利用小衛(wèi)星編隊(duì)組網(wǎng)運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)單顆衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)的功能，并且方便添加新的系統(tǒng)和技術(shù)，從而使那些需要較長(zhǎng)研制周期的儀器可隨時(shí)添加到虛擬衛(wèi)星中去，另外小衛(wèi)星具有單星測(cè)控能力，使系統(tǒng)測(cè)控可靠性進(jìn)一步加強(qiáng)。在技術(shù)上，小衛(wèi)星有功能模塊集成化、功耗低、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。小衛(wèi)星的這些優(yōu)點(diǎn)吸引了各航天大國(guó)對(duì)其開(kāi)展研究，我國(guó)也投入了大量人力物力開(kāi)展了衛(wèi)星編隊(duì)的研制。本文針對(duì)某項(xiàng)目的具體要求，設(shè)計(jì)了適合小衛(wèi)星通信系統(tǒng)的射頻前端，仿真分析了其關(guān)鍵電路，并通過(guò)實(shí)物驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
超外差結(jié)構(gòu)是射頻前端應(yīng)用中最多的一種結(jié)構(gòu)，其發(fā)射和接收方案都比較成熟。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
在接收電路中將從天線(xiàn)接收來(lái)的微弱信號(hào)放大，經(jīng)過(guò)下變頻得到中頻信號(hào)，為了放大器的穩(wěn)定和避免自激，在一個(gè)頻帶內(nèi)的放大器其增益一般不超過(guò)50～60dB，通過(guò)選擇合適的中頻頻點(diǎn)和濾波器，可以實(shí)現(xiàn)很好的選擇性和靈敏度。發(fā)射電路中將中頻信號(hào)上變頻得到射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波和功率放大輸出給天線(xiàn)發(fā)射出去。
系統(tǒng)中發(fā)射電路和接收電路均采用二次變頻。飛行過(guò)程中小衛(wèi)星與主星之間距離的變化會(huì)引起接收電路輸入端信號(hào)的功率變化，變化范圍可達(dá)幾十分貝，在接收電路中設(shè)置自動(dòng)增益控制電路，使接收信號(hào)功率在一定范圍內(nèi)變化時(shí)輸出信號(hào)功率變化很小。系統(tǒng)中重要組成部分有低噪放電路、鎖相環(huán)電路、自動(dòng)增益控制電路等。
系統(tǒng)中接收電路的主要指標(biāo)如下：
(1)接收信號(hào)為2.3GHz，功率為-120dBm；輸出信號(hào)為30MHz，功率大于等于0dBm。
(2)噪聲系數(shù)小于等于2，輸出信號(hào)功率信噪比大于等于13dB。
(3)接收信號(hào)在-120～-90dBm變化時(shí)，輸出信號(hào)變化小于6dBm。
(4)相位噪聲小于-80dBc/Hz/10kHz。
2 系統(tǒng)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(lái)自天線(xiàn)的微弱信號(hào)，其性能的好壞直接影響著整機(jī)的性能，尤其是接收靈敏度和整機(jī)噪聲的好壞。低噪聲放大器的主要指標(biāo)有噪聲系數(shù)、功率增益、動(dòng)態(tài)范圍、穩(wěn)定性。
噪聲系數(shù)定義為線(xiàn)性二端口網(wǎng)絡(luò)中：
式中：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3分別為前三級(jí)放大器的噪聲系數(shù)；G1，G2，G3分別為前三級(jí)放大器的增益。
由式(2)可知放大器級(jí)聯(lián)時(shí)噪聲系數(shù)主要由第一級(jí)決定，因此要求第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)越小越好。為了抑制后級(jí)電路對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響，第一級(jí)放大器需要有較高的增益。
該項(xiàng)目中采用的方案是三級(jí)低噪聲放大器級(jí)聯(lián)。第一級(jí)選用HMC618LP3，在25℃環(huán)境中2.3GHz處增益為15dB，噪聲系數(shù)為1.05。第二級(jí)選用HMC548LP3，在25℃環(huán)境中2.3GHz處增益為25dB，噪聲系數(shù)為1.5。第三級(jí)選用變?cè)鲆娣糯笃鱄MC287MS8，在25℃環(huán)境中Vctl=0時(shí)，2.3GHz處增益為23dB，Vctl=3V時(shí)，增益為-11dB。將放大器的S2P文件導(dǎo)入ADS軟件中仿真，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，最高增益為52.196dB，最低增益為18.658dB。三級(jí)放大器增益都很高，如果各級(jí)間匹配不好，很可能會(huì)導(dǎo)致放大器自激振蕩，要從源頭解決這個(gè)問(wèn)題，只有修改各級(jí)的匹配網(wǎng)絡(luò)，這往往難度很大，最有效的辦法是在級(jí)間增加π型衰減網(wǎng)絡(luò)。π型衰減網(wǎng)絡(luò)可以有效抑制信號(hào)在放大器級(jí)間的反射，nf(2)是π型網(wǎng)絡(luò)引入的噪聲，在實(shí)際電路中可以更換π型網(wǎng)絡(luò)電阻調(diào)節(jié)衰減量和噪聲系數(shù)。
2.2 鎖相環(huán)電路
鎖相環(huán)是由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)及壓控振蕩器(VCO)所構(gòu)成的反饋電路，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
鑒相器比較參考信號(hào)u1(t)和壓控振蕩器輸出信號(hào)u2(t)的相位，并輸出相位誤差電壓ud(t)，經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器濾除相位誤差信號(hào)中的高頻信號(hào)及部分噪聲，剩下直流電壓uc(t)，再將此直流電壓送到壓控振蕩器來(lái)控制輸出信號(hào)頻率。當(dāng)壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率與參考信號(hào)的頻率不同時(shí)，這個(gè)過(guò)程將持續(xù)進(jìn)行，在達(dá)到頻率相等時(shí)，且滿(mǎn)足一定條件環(huán)路就穩(wěn)定下來(lái)，實(shí)現(xiàn)鎖定。鎖定之后被控的壓控振蕩器頻率與輸入信號(hào)頻率相同，兩者之間維持一定的穩(wěn)態(tài)相位差。
鎖定時(shí)間和相位噪聲是鎖相環(huán)的重要指標(biāo)。最佳鎖定時(shí)間需要45°～48°的相位裕度，經(jīng)驗(yàn)公式如下：
式中：fjump=|f1-f2|為頻率跳變量；f為初始頻率；f2為終止頻率；ftol為頻率鎖定誤差容限；BW為環(huán)路帶寬；LT為鎖定時(shí)間。
可見(jiàn)環(huán)路帶寬越大，鎖定時(shí)間越短，頻率跳變?cè)叫?，鎖定時(shí)間越短?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)增大環(huán)路帶寬和增大鑒相頻率的方法縮短環(huán)路鎖定時(shí)間。
鎖相環(huán)電路的噪聲來(lái)源于參考信號(hào)噪聲、電荷泵噪聲、反饋分頻噪聲和壓控振蕩器噪聲四部分。環(huán)路濾波器對(duì)環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性作用，關(guān)于環(huán)路濾波器的階數(shù)，最基本的環(huán)路濾波器是兩階，如果想進(jìn)一步降低參考雜散的幅度，可以在二階環(huán)路濾波器之后再加一個(gè)RC低通網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成三階無(wú)源環(huán)路濾波器。該項(xiàng)目中選用的頻率合成器是ADF4360-1，用ADIsimPLL軟件設(shè)計(jì)三階無(wú)源濾波器，并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行仿真，射頻本振信號(hào)鎖定時(shí)間和相位噪聲如圖4所示，鎖定時(shí)間為22μs，2.27GHz處相位噪聲為-88dBc/Hz/10kHz。
2.3 自動(dòng)增益控制電路
自動(dòng)增益控制電路主要由變?cè)鲆娣糯笃骱蜋z測(cè)控制電路兩部分組成。傳統(tǒng)的檢測(cè)控制電路有兩種實(shí)現(xiàn)方法，一是采用模擬方法檢測(cè)信號(hào)的峰值，對(duì)峰值信號(hào)進(jìn)行低通濾波、放大以后控制VGA的增益，這種模擬檢測(cè)、模擬控制的方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單。二是采用數(shù)字方法檢測(cè)信號(hào)的峰值，對(duì)檢測(cè)到的峰值進(jìn)行一定的處理后產(chǎn)生數(shù)字控制量調(diào)整VGA的增益，這種方法需要A/D轉(zhuǎn)換器。限于小衛(wèi)星上提供電壓和功率很低，空間很小，所以采用第一種方法。
自動(dòng)增益控制電路中一般將變?cè)鲆娣糯笃髟O(shè)置在中頻段，該項(xiàng)目中考慮到系統(tǒng)的功耗，選用低功耗的變?cè)鲆娣糯笃鱄MC287MS8，將變?cè)鲆娣糯笃髟O(shè)置在射頻段，結(jié)合檢波器、運(yùn)算放大器和濾波器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制，原理圖如圖5所示。
檢波器對(duì)檢測(cè)信號(hào)的功率有下限要求，輸入信號(hào)功率超過(guò)下限時(shí)檢波器輸出電壓才能變化，因此信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)選擇要合宜。該項(xiàng)目中選用的檢波器是AD8361，AD8361對(duì)30MHz信號(hào)檢波，實(shí)際測(cè)試輸出電壓隨輸入信號(hào)功率變化如表1所示。結(jié)合變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆孀兓€(xiàn)，調(diào)整運(yùn)算放大器的參考電壓和運(yùn)算方程可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)增益的穩(wěn)定控制。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)制成小衛(wèi)星射頻前端電路板如圖6所示，利用信號(hào)源86320B和頻譜儀8563E進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)接收信號(hào)2.3GHz，功率從-120dBm起，輸出中頻信號(hào)功率信噪比不低于15dB。接收信號(hào)在30dBm范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出中頻信號(hào)變化小于6dBm，如表2所示。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出相位噪聲為-82dBc/Hz/10kHz。
4 結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)射頻前端中幾個(gè)重要組成部分進(jìn)行了分析和仿真，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種適合于編隊(duì)飛行的小衛(wèi)星通信系統(tǒng)射頻前端結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了該系統(tǒng)的合理性，該系統(tǒng)的功耗低、接收靈敏度高、體積小、重量輕，幾項(xiàng)關(guān)鍵的預(yù)期指標(biāo)已達(dá)到?；仡櫹到y(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試，其中有些指標(biāo)和措施仍需要改進(jìn)，如AGC的穩(wěn)定范圍不是很大，需要結(jié)合發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)控衰減器調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)完全穩(wěn)定，這需要綜合更多的因素對(duì)系統(tǒng)整體方案進(jìn)行更深地研究和改進(jìn)。