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(jī)；(7)電視接收機(jī),。
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(hào)經(jīng)過(guò)約40 000 km左右的遠(yuǎn)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(hào),。因此，衛(wèi)星電視下變頻器的作用是在保證原信號(hào)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(hào)進(jìn)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(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器與低噪聲放大器合成一個(gè)部件。如果要達(dá)到噪聲溫度低和增益高,，通常包含3～4級(jí)放大,，前兩級(jí)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(jí)為高增益放大器,，主要采用砷化鎵場(chǎng)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(jì)時(shí)通常先給出必要的參數(shù),，如S參數(shù)、電路級(jí)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(jì)算機(jī)CAD軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)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(hào)變?yōu)橹蓄l信號(hào),，變頻前后信號(hào)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(lái)實(shí)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(shí),，由于介電常數(shù)高,，電磁場(chǎng)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(diǎn)是溫度穩(wěn)定性好,，品質(zhì)因數(shù)Q值高,，體積小，價(jià)格低,，容易和微帶線耦合而制成MMIC,。
圖4給出2種實(shí)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(shí)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(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出輸入的阻抗匹配的問(wèn)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(hào)與本振信號(hào)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(hào)與本振信號(hào)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(hào)，可用濾波器選取所需的差頻信號(hào),，應(yīng)能達(dá)到混頻的目的,。實(shí)際電路中，常采用二極管阻抗混頻器,，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，便于集成化，工作穩(wěn)定,，噪聲系數(shù)低,，工作頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大,。雖然,，這種混頻器沒(méi)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(bǔ)償,。實(shí)際應(yīng)用中,，還要考慮輸入信號(hào)與本振信號(hào)的隔離及對(duì)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(gè)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(hào)通過(guò)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(duì)角線上,，從而總的中頻電流等于四個(gè)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(diǎn)如下：
(1)輸入信號(hào)與本振信號(hào)之間有高隔離度,；
(2)工作頻帶寬,；
(3)動(dòng)態(tài)范圍大，抗過(guò)載能力強(qiáng),；
(4)對(duì)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(jìn)行放大、以補(bǔ)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(gè)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(jiàn)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(wú)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(yán)格符合設(shè)計(jì)要求的數(shù)值，所以單級(jí)增益低,；但可以用增加級(jí)數(shù)的方法加以解決,，一般由3～4級(jí)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(shí)現(xiàn),，參見(jiàn)圖8所示?？上葴y(cè)出晶體管的S參數(shù),，然后設(shè)計(jì)微帶匹配電路。分布參數(shù)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路一致性較好,，容易達(dá)到單級(jí)最佳性能,，所以放大器一般是2～3級(jí),。
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(dāng)?shù)谝患?jí)管子的S11值適當(dāng)時(shí)，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(jí)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(jì)靈活,，兼有分布和集中參數(shù)電路的優(yōu)點(diǎn),。
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(guò)高頻扼流圈傳送給室外單元,，它對(duì)(3.7～4.2) GHz的微波信號(hào)和第一中頻信號(hào)均無(wú)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(jí)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(hào)非常微弱,，為保證信號(hào)的質(zhì)量,，將接收到的衛(wèi)星下行頻率信號(hào)進(jìn)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(hào)頻率變化時(shí)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(dòng)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(jī)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(dòng)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(gè)電路產(chǎn)生的熱噪聲等效于在輸入端的一個(gè)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(biāo)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(cè)量,，輸入的電壓駐波比及回波損耗在下行微波頻段內(nèi)測(cè)量。
(5)功率增益高,。它是指下變頻器的中頻信號(hào)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(shí)間變化的起伏小,。
(7)多載波互調(diào)比小,。這是指多個(gè)不同頻率的信號(hào)進(jìn)入下變頻器時(shí)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(hào)超過(guò)額定范圍時(shí),，引起下變頻器進(jìn)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(hào)的能力好,。當(dāng)下變頻器工作在線性范圍時(shí)，輸入幅度相等的帶內(nèi)信號(hào)和鏡頻信號(hào)兩者在輸出端電平比即鏡像干擾抑制比,。
(10)群時(shí)延特性好,。這是指下變頻器造成的群時(shí)延小。
(11)雜散信號(hào)少,。這是指互調(diào)產(chǎn)物之外的無(wú)用信號(hào)少,。
(12)殘余調(diào)制噪聲小。這是指當(dāng)輸入端加一標(biāo)稱頻率,、標(biāo)稱電平的純正弦信號(hào)時(shí),，輸出信號(hào)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(duì)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(duì)接收C頻段衛(wèi)星模擬電視信號(hào)的高頻頭而言的,，如果在接收衛(wèi)星數(shù)字信號(hào)時(shí)，則除了選用噪聲溫度低,，本振頻率穩(wěn)定度高,，動(dòng)態(tài)增益大外，還必須選用本振相位噪聲小的高頻頭,，因?yàn)樵诮邮招l(wèi)星數(shù)字信號(hào)時(shí),，高頻頭的本振相位噪聲和本振頻率穩(wěn)定度大小對(duì)接收信號(hào)質(zhì)量是至關(guān)重要的(因?yàn)闀?huì)影響到數(shù)字信號(hào)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(duì)于Ku頻段高頻頭的選擇，由于目前我國(guó)使用的通信衛(wèi)星(鑫諾1號(hào)星,、亞洲2號(hào)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(guó)際電聯(lián)分配給我國(guó)直播衛(wèi)星(三個(gè)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(jī)上通過(guò)極化電控切換來(lái)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(shì)
由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇,，使得高頻頭的制作越來(lái)越精良,，性能越來(lái)越優(yōu)異，電路越來(lái)越集成化,，體積越來(lái)越小,，可靠性越來(lái)越高，并且增加了很好的防雷擊能力,。以下詳細(xì)介紹現(xiàn)代高頻頭的主要特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì),。
(1)超低噪聲特性
由于HEMT管子的問(wèn)世和廣泛應(yīng)用，目前已可獲得低達(dá)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(jiǎn)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(méi)有變頻損耗,，而且獲得了近10 dB的變頻增益,，簡(jiǎn)化了電路，增加了可靠性,，最常見(jiàn)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(jí)中頻放大電路,，80年代國(guó)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(diǎn)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(diǎn)輸出功率,。電路簡(jiǎn)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(jì)
70年代及80年代國(guó)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(jí)級(jí)聯(lián)的中放管，本振混頻器均為單獨(dú)分離電路,。
當(dāng)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(shí)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(jì)
過(guò)去市場(chǎng)上銷售的高頻頭，有的由于防水密封設(shè)計(jì)不良而導(dǎo)致提前失效,。為解決防水密封設(shè)計(jì),，現(xiàn)代高頻頭均趨于一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高頻頭的波導(dǎo)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(hù)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(kāi)闊地及高處,。能否防雷擊是高頻頭可靠設(shè)計(jì)的重要方面。70年代和 80年代初的高頻頭大都無(wú)防雷擊設(shè)計(jì),，現(xiàn)在市場(chǎng)上的高頻頭也有無(wú)防雷擊設(shè)計(jì)的,。有防雷擊設(shè)計(jì)的大都防雷擊能力在1 500 V左右，而改進(jìn)后的現(xiàn)代高頻頭的防雷擊能力高達(dá)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(shí)接收到衛(wèi)星下行的兩種極化波信號(hào)，后者可同時(shí)接收到C與Ku兩個(gè)頻段的衛(wèi)星下行信號(hào),，這就大大地簡(jiǎn)化了整個(gè)饋源系統(tǒng),，提高了整個(gè)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(kāi)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(hào)誤碼極小,，特別適用于對(duì)衛(wèi)星數(shù)字電視信號(hào)的良好接收,。