小衛(wèi)星通信系統(tǒng)射頻前端設(shè)計(jì)

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)，以滿足星問通信的要求，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)。
關(guān)鍵詞：小衛(wèi)星；射頻前端；低噪放；鎖相環(huán)；自動(dòng)增益控制

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(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)其開展研究，我國(guó)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(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接收來的微弱信號(hào)放大，經(jīng)過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50～60 dB，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(hào)上變頻得到射頻信號(hào)，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(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2．3 GHz，功率為-120 dBm；輸出信號(hào)為30 MHz，功率大于等于0 dBm。
(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13 dB。
(3)接收信號(hào)在-120～-90 dBm變化時(shí)，輸出信號(hào)變化小于6 dBm。
(4)相位噪聲小于-80 dBc／Hz／10 kHz。

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(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。