1 衛(wèi)星電視" title="衛(wèi)星電視">衛(wèi)星電視下變頻器" title="變頻器">變頻器(高頻頭" title="高頻頭">高頻頭)的作用
衛(wèi)星電視低噪聲下變頻器又稱為高頻頭(也稱衛(wèi)星電視的室外單元),,它是由微波低噪聲放大器,,微波混頻器,第一本振和第一中頻前置放大器組成,,其框圖如圖1所示,。
圖1 高頻頭的原理框圖
一般的衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)主要包括:(1)天線;(2)饋源,;(3)低噪聲下變頻器,,也稱為高頻頭(是由低噪聲放大器與下變頻器集成的組件),,用LNB表示;(4)電纜線,;(5)端子接頭,;(6)衛(wèi)星接收機;(7)電視接收機,。
衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2 衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)框圖
由于衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中的地面天線接收到的衛(wèi)星下行微波信號經(jīng)過約40 000 km左右的遠距離傳輸已是非常微弱,,通常天線饋源輸出載波功率約為-90dBmW[注],。若饋線損耗為0.5 dB,則低噪聲放大器輸入端載波功率為-90.5 dBmW,。第一變頻器和帶通濾波器的損耗約為10 dB,,第一中放的增益約為30 dB。這樣,,若低噪聲放大器給出增益(40~50) dB,,則下變頻器輸出端可以輸出(-30~-20) dBmW的信號。因此,,衛(wèi)星電視下變頻器的作用是在保證原信號質(zhì)量參數(shù)的條件下,,將接收到的衛(wèi)星下行頻率的信號進行低噪聲放大并變頻。
2 衛(wèi)星電視下變頻器的結(jié)構(gòu)
衛(wèi)星電視下變頻器中的低噪聲放大器一般是將波導同軸轉(zhuǎn)換器與低噪聲放大器合成一個部件,。如果要達到噪聲溫度低和增益高,,通常包含3~4級放大,前兩級為低噪聲放大器,,主要采用高電子遷移率晶體管HEMT器件,,后兩級為高增益放大器,主要采用砷化鎵場效應(yīng)晶體管GaAsFET,。典型的LNA的噪聲溫度在C 波段約為(20~40)°K,。增益約為(40~50) dB,輸出輸入電壓駐波比(VSMR)小于1.5,。圖3給出了低噪聲放大器(LNA)的電原理圖,,設(shè)計時通常先給出必要的參數(shù),如S參數(shù),、電路級數(shù),、匹配電路的方式、噪聲參數(shù),、輸出輸入阻抗等等,,然后利用計算機CAD軟件進行優(yōu)化設(shè)計并作出微帶線電路圖。
圖3 低噪聲放大器的電原理圖
第一變頻器和帶通濾波器是由第一本振,、第一混頻器及帶通濾波器組成的,,其作用是將低噪聲放大器輸出的下行微波信號變?yōu)橹蓄l信號,變頻前后信號的帶寬保持不變。
第一本振通常以介質(zhì)諧振器振蕩器作為諧振回路,,采用耦合微帶線耦合能量,,使用CaAs-FET作為基本放大電路來實現(xiàn)振蕩器。介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)很高,,通常在35~40之間,,諧振時,由于介電常數(shù)高,,電磁場大部分集中在介質(zhì)內(nèi)部,,與金屬諧振腔類似。介質(zhì)諧振腔的優(yōu)點是溫度穩(wěn)定性好,,品質(zhì)因數(shù)Q值高,,體積小,價格低,,容易和微帶線耦合而制成MMIC,。
圖4給出2種實際的介質(zhì)諧振器振蕩器電原理圖。
圖4 介質(zhì)振蕩器電原理圖
實際的介質(zhì)諧振器振蕩器中不僅需要考慮介質(zhì)諧振器的參數(shù),、位置及微帶線的參數(shù),,還要考慮場效應(yīng)晶體管輸出輸入的阻抗匹配的問題和直流偏置電路的設(shè)置。
第一混頻器由非線性元件,、輸入信號與本振信號混合網(wǎng)絡(luò)及一些附加電路組成,,如圖5所示。
圖5 第一混頻器框圖
輸入信號與本振信號混合后疊加在非線性元件上,,非線性元件通常采用晶體二極管和三極管,,使其工作在伏安特性曲線的非線性區(qū)。由其非線性作用使輸出端產(chǎn)生出和頻,、差頻,、倍頻等一系列信號,可用濾波器選取所需的差頻信號,,應(yīng)能達到混頻的目的,。實際電路中,常采用二極管阻抗混頻器,,它的結(jié)構(gòu)簡單,,便于集成化,工作穩(wěn)定,,噪聲系數(shù)低,,工作頻帶寬,動態(tài)范圍大,。雖然,,這種混頻器沒有變頻增益,,只有變頻損耗,但這種損耗容易加放大器予以補償,。實際應(yīng)用中,,還要考慮輸入信號與本振信號的隔離及對寄生頻率的抑制等,通常采用雙平衡混頻器,,它主要由二極管橋和平衡,、不平衡變換器組成,電原理圖如圖6(圖中巴侖 (balun)為平衡,、不平衡線路變壓器)所示,。
圖6 雙平衡混頻器電原理圖
四個特性相同的混頻二極管按同一極性順序連接成環(huán)形橋路,輸入和本振信號通過變壓器耦合,,將不平衡的輸入變換為平衡輸出加到二極管橋的兩對角線上,從而總的中頻電流等于四個二極管所產(chǎn)生的中頻電流的總和,。
雙平衡混頻器具有主要特點如下:
(1)輸入信號與本振信號之間有高隔離度,;
(2)工作頻帶寬;
(3)動態(tài)范圍大,,抗過載能力強,;
(4)對寄生頻率有很好的抑制能力;
(5)能抑制本振引入的噪聲,。
第一中放也稱前置中放,,通常是直接和混頻器相接的,它的作用是把混頻器輸出的微弱中頻進行放大,、以補償混頻器,、帶通濾波器以及室外、室內(nèi)單元間連接的高頻電纜所引起的衰減,。第一中放通常直接采用集成電路塊,。
由于二次變頻式的衛(wèi)星接收系統(tǒng)第一中頻通常選擇在1 GHz左右,這個頻率處于微波放大器和高頻放大器的交界處,,因而電路結(jié)構(gòu)方式可以用分布參數(shù),、集中參數(shù)或二者的混合形式三種。
集中參數(shù)電路與一般高頻放大器基本相同,,電路元件用集中參數(shù)的電阻,、電容和電感,參見圖7,。
圖7 集中參數(shù)電路
由于中放是寬頻帶電路,,所以不能使用調(diào)諧回路,元件為無引線型,,電路尺寸緊湊,。但由于R,、C元件的離散性,往往難以得到嚴格符合設(shè)計要求的數(shù)值,,所以單級增益低,;但可以用增加級數(shù)的方法加以解決,一般由3~4級組成,,增益約為20 dB,。
分布參數(shù)的中放電路可以用微帶形式實現(xiàn),參見圖8所示,??上葴y出晶體管的S參數(shù),然后設(shè)計微帶匹配電路,。分布參數(shù)電路的優(yōu)點是電路一致性較好,,容易達到單級最佳性能,所以放大器一般是2~3級,。
圖8 分布參數(shù)電路
混合形式的電路是用一部分微帶線和部分集中參數(shù)元件組成的,。當?shù)谝患壒茏拥腟11值適當時,可用較短的傳輸線和分支微帶組成輸入電路,,能獲得較低的噪聲,。級間和輸出電路可采用微帶和集中參數(shù)元件的結(jié)合。它設(shè)計靈活,,兼有分布和集中參數(shù)電路的優(yōu)點,。
室外單元的直流供電由連接室外單元的75 Ω高電纜芯線提供。室內(nèi)單元的直流電源通過高頻扼流圈傳送給室外單元,,它對(3.7~4.2) GHz的微波信號和第一中頻信號均無影響,。通常16 V~24 V的電壓,一路送去LNA,,另一路送到室外單元的穩(wěn)壓電路,,穩(wěn)壓后供室外單元其他各級使用。
3 衛(wèi)星電視下變頻器的主要技術(shù)要求
由于衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中天線接收到的衛(wèi)星下行微波信號非常微弱,,為保證信號的質(zhì)量,,將接收到的衛(wèi)星下行頻率信號進行放大并變頻,C頻段衛(wèi)星電視下變頻器應(yīng)該滿足的主要技術(shù)要求如下:
(1)振幅—頻率特性好,。振幅—頻率特性是指輸入電平恒定下,,輸入信號頻率變化時輸出端電平變化的特性,主要包括通頻帶,、功率增益,、增益波動及增益斜率
方面。
通頻帶要求下變頻器的輸入頻段與衛(wèi)星下行頻段一致,,輸出頻段與衛(wèi)星接收機的輸入頻段一致,,而且下變頻器的輸入輸出頻段的帶寬一致,;
功率增益是指輸出功率與輸入功率之比;
增益波動是指在中頻輸出的頻帶內(nèi),,最大增益與最小增益之差,;
增益斜率是指在中頻輸出的頻帶內(nèi),單位頻帶內(nèi)增益的變化率,。
(2)噪聲系數(shù)低,。噪聲系數(shù)是指下變頻器整體的等效輸入噪聲,即將整個電路產(chǎn)生的熱噪聲等效于在輸入端的一個噪聲源,,通常用噪聲溫度表示,。
(3)本振頻率特性好。它包括第一本振頻率的標稱值,、第一本振頻率的穩(wěn)定度,、第一本振頻率的泄漏。
(4)輸入輸出的電壓駐波比及回波損耗小,,輸出的電壓駐波比及回波損耗在中頻頻段內(nèi)測量,,輸入的電壓駐波比及回波損耗在下行微波頻段內(nèi)測量。
(5)功率增益高,。它是指下變頻器的中頻信號輸出功率大。
(6)增益穩(wěn)定性好,。這是指在中頻輸出的頻帶內(nèi)增益隨時間變化的起伏小,。
(7)多載波互調(diào)比小。這是指多個不同頻率的信號進入下變頻器時的相互調(diào)制產(chǎn)物小,。
(8)輸入飽和電平高,。這主要是指輸入信號超過額定范圍時,引起下變頻器進入非線性工作區(qū)的影響小,。
(9)鏡像干擾抑制比高,。這是表示下變頻器抑制鏡頻信號的能力好。當下變頻器工作在線性范圍時,,輸入幅度相等的帶內(nèi)信號和鏡頻信號兩者在輸出端電平比即鏡像干擾抑制比,。
(10)群時延特性好。這是指下變頻器造成的群時延小,。
(11)雜散信號少,。這是指互調(diào)產(chǎn)物之外的無用信號少。
(12)殘余調(diào)制噪聲小,。這是指當輸入端加一標稱頻率,、標稱電平的純正弦信號時,輸出信號中含有的附加噪聲小,。
這些技術(shù)要求中,,以本振頻率穩(wěn)定度高,、噪聲溫度低、幅頻特性好為最重要,。
以上對C頻段高頻頭的主要技術(shù)要求可以概括成表1所示,。但表1是針對接收C頻段衛(wèi)星模擬電視信號的高頻頭而言的,如果在接收衛(wèi)星數(shù)字信號時,,則除了選用噪聲溫度低,,本振頻率穩(wěn)定度高,動態(tài)增益大外,,還必須選用本振相位噪聲小的高頻頭,,因為在接收衛(wèi)星數(shù)字信號時,高頻頭的本振相位噪聲和本振頻率穩(wěn)定度大小對接收信號質(zhì)量是至關(guān)重要的(因為會影響到數(shù)字信號的誤碼率),。用于數(shù)字壓縮衛(wèi)星接收系統(tǒng)的高頻頭要求本振相位噪聲小于-65 dBc/Hz(在1 kHz處),;本振頻率穩(wěn)定度小于±500 kHz。
對于Ku頻段高頻頭的選擇,,由于目前我國使用的通信衛(wèi)星(鑫諾1號星,、亞洲2號星、亞太1A星等)轉(zhuǎn)發(fā)器的下行工作頻段都為(12.25~12.75) GHz,,而國際電聯(lián)分配給我國直播衛(wèi)星(三個軌位為62°E,、80°E、92°E)的下行工作頻段為(11.7~12.2) GHz,,因此所選用Ku頻段高頻頭的頻寬范圍一定要與所需接收衛(wèi)星的下行工作頻率范圍相適應(yīng),。
此外,如果使用一體化饋源高頻頭最好選用雙線極化饋源高頻頭,,這樣衛(wèi)星下行的兩種極化波可以在衛(wèi)星接收機上通過極化電控切換來選擇所需接收的垂直或水平極化波,。
4 現(xiàn)代高頻頭(LNB)及其發(fā)展趨勢
由于科學技術(shù)的進步,國際市場競爭的加劇,,使得高頻頭的制作越來越精良,,性能越來越優(yōu)異,電路越來越集成化,,體積越來越小,,可靠性越來越高,并且增加了很好的防雷擊能力,。以下詳細介紹現(xiàn)代高頻頭的主要特點及其發(fā)展趨勢,。
(1)超低噪聲特性
由于HEMT管子的問世和廣泛應(yīng)用,目前已可獲得低達20°K的C頻段的噪聲溫度特性和約40 dB的功率增益,,以及約40°K的Ku頻段的噪聲溫度特性,。
(2)自振混頻電路
采用自振混頻單片電路,使變頻器電路大為簡化,。使用這種單片電路,,完成了本振,、混頻和第一中放作用,此單片電路不僅沒有變頻損耗,,而且獲得了近10 dB的變頻增益,,簡化了電路,增加了可靠性,,最常見的單片電路為MSA0886,,MSF8885等。
(3)單片中放電路
為了獲得20 dB的中放增益,,需3~4級中頻放大電路,,80年代國際上通常采用2只單片電路,可以獲得25 dB左右的增益和約10 dB的一分貝壓縮點輸出功率,,單片中放集成電路獲得22 dB的中放增益和12.5 dB的1分貝壓縮點輸出功率,。電路簡化,這種電路常用的單片電路為MSA0886,,INA10386等,。
(4)表面安裝技術(shù)及高集成化設(shè)計
70年代及80年代國際上多種高頻頭大都采用帶引線的
的電阻及電容器,體積大,,重量大,,所用的中放電路也都采用多級級聯(lián)的中放管,本振混頻器均為單獨分離電路,。
當今的高頻頭(LNB),,采用了表面安裝元件、自諧振混頻電路,,單片中放電路實現(xiàn)了高集成化,體積小,,重量輕,,可靠性高。
(5)一體化的防潮設(shè)計
過去市場上銷售的高頻頭,,有的由于防水密封設(shè)計不良而導致提前失效,。為解決防水密封設(shè)計,現(xiàn)代高頻頭均趨于一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計,。高頻頭的波導及腔體部分一體化壓鑄成型,,射頻及中頻電路的蓋板均有“O”型橡皮圈密封。
(6)防雷擊保護電路
高頻頭是室外單元,,工作在天線后面,。為了改善天線的等效噪聲溫度,天線往往都安裝在開闊地及高處,。能否防雷擊是高頻頭可靠設(shè)計的重要方面,。70年代和 80年代初的高頻頭大都無防雷擊設(shè)計,,現(xiàn)在市場上的高頻頭也有無防雷擊設(shè)計的。有防雷擊設(shè)計的大都防雷擊能力在1 500 V左右,,而改進后的現(xiàn)代高頻頭的防雷擊能力高達3 000 V,。
(7)現(xiàn)代高頻頭的新發(fā)展
現(xiàn)代高頻頭已做成雙極化高頻頭和雙頻段高頻頭,前者可同時接收到衛(wèi)星下行的兩種極化波信號,,后者可同時接收到C與Ku兩個頻段的衛(wèi)星下行信號,,這就大大地簡化了整個饋源系統(tǒng),提高了整個天饋系統(tǒng)的使用效果,。
(8)鑒于衛(wèi)星數(shù)字電視的廣泛應(yīng)用,,目前已開發(fā)出本振頻率穩(wěn)定度高,本振相位噪聲低的現(xiàn)代高頻頭,,因其產(chǎn)生的數(shù)字信號誤碼極小,,特別適用于對衛(wèi)星數(shù)字電視信號的良好接收。