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,，以滿足星問通信的要求，對系統(tǒng)中低噪放電路,、鎖相環(huán)電路、自動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，這不僅延長了研制周期,，也增大了系統(tǒng)的風(fēng)險,。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研制周期的儀器可隨時添加到虛擬衛(wèi)星中去，另外小衛(wèi)星具有單星測控能力,，使系統(tǒng)測控可靠性進(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)吸引了各航天大國對其開展研究,，我國也投入了大量人力物力開展了衛(wèi)星編隊(duì)的研制,。本文針對某項(xiàng)目的具體要求，設(shè)計了適合小衛(wèi)星通信系統(tǒng)的射頻前端,，仿真分析了其關(guān)鍵電路,，并通過實(shí)物驗(yàn)證了方案設(shè)計的可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計合理,，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接收來的微弱信號放大,，經(jīng)過下變頻得到中頻信號，為了放大器的穩(wěn)定和避免自激,，在一個頻帶內(nèi)的放大器其增益一般不超過50～60dB,，通過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上變頻得到射頻信號,，經(jīng)過濾波和功率放大輸出給天線發(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,。飛行過程中小衛(wèi)星與主星之間距離的變化會引起接收電路輸入端信號的功率變化,，變化范圍可達(dá)幾十分貝，在接收電路中設(shè)置自動增益控制電路,，使接收信號功率在一定范圍內(nèi)變化時輸出信號功率變化很小,。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)接收信號為2.3GHz，功率為-120dBm,；輸出信號為30MHz,，功率大于等于0dBm。
(2)噪聲系數(shù)小于等于2,，輸出信號功率信噪比大于等于13dB,。
(3)接收信號在-120～-90dBm變化時，輸出信號變化小于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，接收來自天線的微弱信號,，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,、動態(tài)范圍、穩(wěn)定性,。
噪聲系數(shù)定義為線性二端口網(wǎng)絡(luò)中：
式中：F1,，F(xiàn)2，F(xiàn)3分別為前三級放大器的噪聲系數(shù),；G1,，G2,，G3分別為前三級放大器的增益。
由式(2)可知放大器級聯(lián)時噪聲系數(shù)主要由第一級決定,，因此要求第一級放大器的噪聲系數(shù)越小越好,。為了抑制后級電路對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響，第一級放大器需要有較高的增益,。
該項(xiàng)目中采用的方案是三級低噪聲放大器級聯(lián),。第一級選用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,。第三級選用變增益放大器HMC287MS8，在25℃環(huán)境中Vctl=0時,，2.3GHz處增益為23dB，Vctl=3V時,，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,。三級放大器增益都很高,，如果各級間匹配不好，很可能會導(dǎo)致放大器自激振蕩,，要從源頭解決這個問題,，只有修改各級的匹配網(wǎng)絡(luò)，這往往難度很大,，最有效的辦法是在級間增加π型衰減網(wǎng)絡(luò),。π型衰減網(wǎng)絡(luò)可以有效抑制信號在放大器級間的反射，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u1(t)和壓控振蕩器輸出信號u2(t)的相位，并輸出相位誤差電壓ud(t),，經(jīng)過環(huán)路濾波器濾除相位誤差信號中的高頻信號及部分噪聲,，剩下直流電壓uc(t),，再將此直流電壓送到壓控振蕩器來控制輸出信號頻率。當(dāng)壓控振蕩器的輸出信號頻率與參考信號的頻率不同時,，這個過程將持續(xù)進(jìn)行,，在達(dá)到頻率相等時，且滿足一定條件環(huán)路就穩(wěn)定下來,，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頻率相同，兩者之間維持一定的穩(wěn)態(tài)相位差,。
鎖定時間和相位噪聲是鎖相環(huán)的重要指標(biāo),。最佳鎖定時間需要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為鎖定時間。
可見環(huán)路帶寬越大,，鎖定時間越短,，頻率跳變越小，鎖定時間越短,?？梢酝ㄟ^適當(dāng)增大環(huán)路帶寬和增大鑒相頻率的方法縮短環(huán)路鎖定時間。
鎖相環(huán)電路的噪聲來源于參考信號噪聲,、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RC低通網(wǎng)絡(luò),，構(gòu)成三階無源環(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)計三階無源濾波器,，并對輸出信號進(jìn)行仿真，射頻本振信號鎖定時間和相位噪聲如圖4所示,，鎖定時間為22μs,，2.27GHz處相位噪聲為-88dBc/Hz/10kHz。
2.3 自動增益控制電路
自動增益控制電路主要由變增益放大器和檢測控制電路兩部分組成,。傳統(tǒng)的檢測控制電路有兩種實(shí)現(xiàn)方法,，一是采用模擬方法檢測信號的峰值,，對峰值信號進(jìn)行低通濾波、放大以后控制VGA的增益,，這種模擬檢測,、模擬控制的方法實(shí)現(xiàn)起來比較簡單。二是采用數(shù)字方法檢測信號的峰值,，對檢測到的峰值進(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。
自動增益控制電路中一般將變增益放大器設(shè)置在中頻段,，該項(xiàng)目中考慮到系統(tǒng)的功耗,，選用低功耗的變增益放大器HMC287MS8，將變增益放大器設(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)自動增益控制，原理圖如圖5所示,。
檢波器對檢測信號的功率有下限要求,，輸入信號功率超過下限時檢波器輸出電壓才能變化，因此信號檢測點(diǎn)選擇要合宜,。該項(xiàng)目中選用的檢波器是AD8361，AD8361對30MHz信號檢波,，實(shí)際測試輸出電壓隨輸入信號功率變化如表1所示,。結(jié)合變增益放大器的增益變化曲線，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)過設(shè)計制成小衛(wèi)星射頻前端電路板如圖6所示,，利用信號源86320B和頻譜儀8563E進(jìn)行測試，系統(tǒng)接收信號2.3GHz,，功率從-120dBm起,，輸出中頻信號功率信噪比不低于15dB。接收信號在30dBm范圍內(nèi)變化時,，輸出中頻信號變化小于6dBm,，如表2所示。經(jīng)過計算得出相位噪聲為-82dBc/Hz/10kHz,。
4 結(jié)語
本文對射頻前端中幾個重要組成部分進(jìn)行了分析和仿真,，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種適合于編隊(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,。回顧系統(tǒng)的設(shè)計和測試,，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)輸出信號完全穩(wěn)定,，這需要綜合更多的因素對系統(tǒng)整體方案進(jìn)行更深地研究和改進(jìn),。