微波通信机设计与卫星高频接收前端电

1、1本讲座分两部分，10.1微波通信机设计，本节虽然针对矩形波导电路系统的，但其设计原则对微带电路系统设计也是适用的。对通信系统设计有兴趣的读者还可参阅“complete wireless design”第九章。10.2结合12ghz卫星接收机高频头电路板分析微波接收机电路。有关卫星地面接收设备的一般介绍见“微波集成电路”（国防工业出版社，1995）第16章（ref.10-1）。2微波通信机简介一个完整的微波通信机包括发信信道、收信信道和收、发终端信号处理设备等组成，这里我们要介绍的实际上只是微波发信信道与收信信道的设计，以下简称发射机和接收机，其结构如图10-1所示：图10-1 微波通信机框图

2、图10-1为微波通信机的一个端站，它有收与发两支路组成，收与发可同时通过一个天线进行，所以这里的环行器又称之为双工器。发射信号时，基带信号经调制器，中放，上变器，三腔滤波器，功放，五腔滤波器，再经环行器，由天线发向另一端站。另一端站发送来的信号由天线经环行器、三腔滤波器、，高放到达混频器，在混频器下变频后经前置中放、中频滤波器，主中放再送给解调器去解调输出。三腔滤波器高放前置中放中频滤波器主中放解调器agc三腔滤波器五腔滤波器基带输出功放本振混频器泵源上变频器基带信号中放调制器3(1) 环行器环行器有三个口，如图10-2所示，它有这么一个特性，即3口输入的功率从1口输出，而与2口隔离，1口输入

3、的功率从2口输出，与3口隔离，2口输入的功率从3口输出，而与1口隔离。环行器的插入损耗约0. 3db左右。隔离端口的隔离度在25db以上。(2) 滤波器三腔滤波器与五腔滤波器均为微波带通滤波器，它们分别有三个谐振腔和五个谐振腔组合而成，五腔滤波器的选择性优于三腔滤波器，带外衰减五腔为-35db,三腔为-25db 左右，插入损耗三腔约-1db。五腔约-2db。中频滤波器决定了整个接接收机的通频带宽，它要求在通带外的衰减大，矩形系数好。1234(3) 混频器混频器使用变阻二极管，利用二极管的非线性来完成变频，一般性能较好的混频器有平衡混频器与双平衡混频器，其本振输入功率约210mw，变频损耗约-4

4、db左右，噪声系数约4-6db。(4) 上变频器上变频器与混频器相似，它使用的是变容二极管。利用结电容对所加电压的非线性变化来实现频率变换。上变频器要求输入的泵频功率较大，一般为15-25mw，变频损耗约-6db左右(5) 微波功率放大器微波功率放大器一般采用场效应管来进行放大，它在保证功率输出的前提下还必须有良好的线性度，否则放大器的非线性会产生各种交调干扰，即等效于接收信号的门限载噪比恶化。51、接收机的几个主要技术指标(1) 选择性接收机在指定频率或频段内接收本系统发送来的信号而不接收其它频率信号的能力称为选择性。选择性主要是靠接收机的通频特性来保证，用微波滤波器、中频滤波器来实现。(2

5、) 自动增益控制（agc）在微波通信中，信号是以视线传播，由于工作波长短，如下暴雨、暴雪都会导致空间传播的损耗的突变，另一方面作为通信机，它是一个产品应该适合不同用户的需要，而用户对通信机的输出信噪比有不同的要求。通信距离也有远有近，这必然会导致接收机的输入信号有较大的强弱变化，若太强则导致末级中放饱和失真，太弱则会因解调器功率输入不足而不能正常工作，为适应上述种种需要，所有通信系统对接收机的末级主中放都加有自动增益控制功能（agc），即主中放当接收信号强时放大量减小，接收信号弱时放大量增加，使其输出保持在一个衡定值。一般agc控制范围在40db以上。另外，agc范围越大，则接收机的动态范围也

6、越大，对通信距离的适应性越广。6(3) 灵敏度灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力，灵敏度越高就表示接收机接收微弱信号的能力越强，因而通信距离就越大。灵敏度常用以所能接收的最小功率（最小可辨功率）来衡量。灵敏度的极限受到接收机外部干扰和内部噪声的限制，这是由于：如果信号电平已低于噪声电平，那么增大放大量时，噪声和信号同样地被放大，而使信号仍然淹没在噪声中，不能鉴别出来。要提高灵敏度，必须在增大放大量的同时尽可能地减小接收机的内部噪声，而后者是提高灵敏度的关键。为了衡量接收机内部噪声的大小，常应用“噪声系数”这个参量，接收机噪声系数是指接收机输入端信号噪声功率比iins与输出端信号噪声功率比 s0

7、/n0的比值：00/nsnsniif(10-1)它表示信号通过接收机后，信号、噪声比变坏了多少倍。噪声系数还常用分贝表示：00/lg10)db(nsnsniif(10-2)图 10.3信号噪声7(3) 灵敏度接收机灵敏度（最小可辨功率 prmin）与噪声系数 nf的关系为：min00minnsfnktpfr(10-3)式中 k 为玻尔兹曼常数 1.381023焦耳/度t 为接收机输入端的绝对温度，0k=273，室温 20c=293kf 为接收机的通频带（hz） 。(s0/n0)min为接收机输出端允许的最小信噪比，信噪比小于此数值，信号就不能被识别，而整个系统就不能传送正确信息。在一定大小的噪

8、声中要多大的信号才能识别出来，这决定于接收机的终端设备，但为了说明接收机本身的性能，规定接收机的灵敏度是指解调器输出端的信号噪声功率比等于 1 时，天线输给接收机的最小可辨功率，所以fktprmin(10-4)由上述可见，接收机噪声系数越小，通频带越窄，灵敏度就越高。8(3) 灵敏度另一方面，一个微波接收机是由多个单级电路组合起来的，因而每一个被级联的部件，我们都可以把它看成一个放大器，例如：隔离器、环行器、混频器等等也可以把它看成是增益小于1的放大器，我们知道一个n级的级联放大器，其总的噪声系数可表示为： (10-5)其中：kp1，kp2kp(n-1)为各级的功率增益； n1，n2，nn为各

9、级本身的噪声系数。从式中可以看出，如果第一级的功率增益kp1很大，那么第二项及其以后各项则很小而可以忽略，于是总的噪声系数nf仅由第一级的噪声系数n1决定。所以在接收机的设计中应尽量提高第二级的功增益，尽量降低第一级的噪声，以提高整机的接收灵敏度，与接收机输出信号的质量。32111212(1)111nfpppppp nnnnnnkkkkkk总9（1）输出功率发射机的输出功率大小是根据接收机要求的输入功率、发送距离、工作波长、收发天线的增益等因素来决定，如图10-4所示，功率为p0的信号由发送天线发向距发送天线为r的接收天线，那么接收天线所收到的功率为：(10-6)其中：g1为发射天线的增益；g

10、2为接收天线的增益；为发送信号的工作波长。如果不考虑其它因素的影响，则达到接收机最小可辨功率时，发射机必须发射的最小功率为：(10-7)（2）谐波抑制对于发射机来说，谐波抑制尤为重要。这是因为如果有谐波存在，则它与信号一起经功率放大发射，而这些谐波将会干扰其它接收机，因而对于谐波的抑制度，尤其是对临近频道的抑制度必须优于60db以上。抑制这些谐波分量主要靠微波滤波器来实现。所以一般微波发射机的功率输出电路中都加有三腔、五腔滤波器。p0 | r | pr( )发权图10-420124rppggr2min0min124rprpgg10大气对电波的衰减主要是云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收以及水分子

11、，氧分子对电波的谐振吸收，另一是云、雾、雨等小水滴对电波的散射，但这种衰减与工作波长有关，一般工作波长大于10厘米时，可以不予考虑，工作波长短于5厘米之后，应于考虑，由于计算相当复杂，经验数据在3厘米波段，40公里约衰减0.5db。如果碰上大雨、暴雨、大雪等，则会衰减23db，所以设计时必须考虑。11在微波通信中，一般使用抛物面天线，其增益与工作波长，天线口径面的大小有关，其估算公式如下：(10-8)其中：为工作波长； d为天线口径面的直径。24dg121、设计步骤（1）根据实际的通信距离与接收机输出信噪比的要求，综合考虑接收机第一级是否加高放，如果信噪比要求高的场合，那么最好使用高放级。（2

12、）根据接收机所要求的最小信噪比s0/n0、接收机带宽f、高放噪声系数nf，由式（10.8）算出天线必须输送给接收机输入端口的最小功率prmin。然而指标所要求的信噪比是接收机必须达到的最小信噪比，也就是一个门限值。实际工作时往往要比这个指标高，因而在计算接收机输入端口的最小的功率prmin时，必须对指标提出的信噪比加有一定余量，一般为520db。（3）解调器一般使用二极管，为使二极管能正常工作，必须输送给二极管的功率一般为0dbm（即1mw），因而根据接收机输入端口的最小功率prmin与输送给二极管的功率0dbm即可推算出接收机各级的增益大小。（4）选定收发天线，由式（10.8）估算出天线的增

13、益。（5）根据收发天线的增益，通信距离、工作波长和接收机的输入功率，由（10.7）式推算出发射机应输出的功率p0。（6）估算，地理环境、大气等因素引起的对电波衰减分量。（7）由第（6）、第（7）二条算出的功率和，就是发射机实际应输出功率，同时，由这一功率便可推算出发射机中所有各部分的参数。132、设计实例：设计一个微波通信系统，具体指标如下：工作频率：10gc 通信距离40公里，接收机带宽2mc中频频率：70mc 接收机输出信噪比s0/n035db收、发抛物面天线口径2米。三腔滤波器高放前置中放中频滤波器主中放解调器agc三腔滤波器五腔滤波器基带输出功放本振混频器泵源上变频器基带信号中放调制器

14、142、设计实例：选用噪声系数为 2db，功率增益为 10db 的高频放大器作为接收机的第一级，这样接收机的噪声系数可近似等于高放级的噪声系数。另外对接收机的工作温度按最坏状况考虑，这里取工作温度为 35c，则由（10.3）式即可算出接收机输入端口最小的输入功率（即最低门限功率）为： （为了计算方便，公式一律用对数表示）)dbmw(8 .72)dbw(8 .102352603208 . 42304 . 1)db(/lg10lg10lg10)/(lg10)db(00)db(00minnsnftknsfnktpffr由式（10.8）可算出天线的增益为：db4 .344lg102)db(dg由式（1

15、0.7）可以算出发射机最小的输出功率为：220min()1()2()1244(db)10lg10lg72.834.434.4 144.51.9(dbmw)rr dbdbdbprrppgggg 对一个实用的通信机系统，发射机的输出功率都具有足够的余量，这里我们取发射机的实际输出功率为 23dbm（即 200mw） 。15实际上接收机中所用的微波部件都为常规产品（是通过市场可购置的），它们的插入损耗与增益都是统一规格化的，如图10-5所示，环行器的插入损耗为0.3db，三腔滤波器的插入损耗一般为1db，高放增益为10db，混频器的变频损耗为4db左右，而前中与混频器一般合做在一起，这里我们要求前中

16、的增益为15db。选用中频滤波器为有源滤波器，它担负接收机整机的通频带特性，同时选取其增益为5db。2、设计实例：根据上述计算的各参量来分配收发信机中各部分的指标：（一）接收机三腔滤波器高效前置中放中频滤波器主中放解调器agc基带输出本振混频器0.3db环行器1db+10db4db+15db+5db0db162、设计实例：这样唯一剩下来的是主中放的增益。我们知道当接收机输入端口输入最低门艰功率时，正是主中放增益最大的时候，而解调器的输入功率为 0dbm，也就是主中放必须输出 0dbm 的功率，于是我们可以从上图推算出高中放的最大增益 kpmax，即：051541013 . 08 .72maxp

17、k1 .48maxpkdb如果 agc 范围为 40db，则当 agc 控制最强时，主中放的增益为最小值，即：1 . 8401 .48minpk(db)这时也正是接收机输入端口最大输入功率的门限值，若超过这个门限值，主中放便因为信号过大而产生失真，那么这个最大输入功率为何值呢？我们也可以用同样的方法从图中推算出来，即：01 . 851541013 . 0maxrp8 .32maxrp(dbm)172、设计实例：用一张收信载频图可以简单明了地表征接收 机 的 特 性 。 如 图10-6所示。从图10-6可以看出曲线为接收机最大门限输入功率时间情况，曲线为最小门限输入功率时情况，也就是说只要接收机

18、的输入功率在环行器+滤波器高放混频器前中中频滤波器主中放解调器2010010203040506070+23dbm32.851.772.834.15374.124.14364.128.14768.113.13253.18.12748.10db-32.8dbm至72.8dbm之间，接收机信号的信噪比都能满足大于35db。当发收距离为40公里时，由（3-6）可以算得电波在空间的传输衰减为71.7db，那么在发送功率为23dbm的情况下，接收天线收到的功率为：pr = 74.7 + 23 = 51.7dbm这样我们可以在载频图上画出一条曲线，从而可以了解各级的电平情况。图10-6 收信载频图182、设

19、计实例：（二）发射机发射机的框图如图10-7所示，这里所用的五腔滤波器，三腔滤波器，泵源，上变频器也都为商品化产品，其插入损耗如图标注，其中上变频器的变频损耗为6db（相对泵源功率而言），这里我们取泵源输出功率为+13dbm（即20mw），则上图我们可以推算出功率放大器的增益，即：23 = 0.3 2 + kp 1 6 +13kp=19.3db 取kp=20db即能满足要求五腔滤波器基带信号0.3db2db23dbm功率放大器三腔滤波器上变频器中放调制器1db6db+5db泵源+13dbmkp19（二）发射机发信载频电平图中放上变频三腔滤波器功放五腔滤波器+12.3dbm+6.3dbm+5.3

20、dbm+25.3dbm+23.3dbm020gospell gkf-3300c的外观图21卫星作为一个宇宙台转发器转发电视信号，实现大面积电视覆盖的新技术，这就是卫星电视广播。通信卫星（如c波段的4ghz卫星），主要用于通信，也可用于转发电视信号。但由于转发器功率小、频率不够高，所以抛物面天线口径大，造价高，只能用于集体接收方式。直播卫星（如ku波段的12ghz卫星），转发器功率大、频率高，接收天线口径小，可用作家庭个体接收方式。卫星电视接收系统由三部分组成：天线、高频头、接收机，见图10-9。图10-9 卫星电视接收系统结构框图天线通常采用抛物面天线，口径大小视用途而定：家用型： 1.01.

21、5 m中转电视台站： 4.010.0 m国际通信站：10.030.0 m天线口径越大，天线增益越大，接收、转播的电视信号质量越高。馈源高频头接收机电视机天线22高频头直接挂在天线上，对接收到的微波信号进行放大，再下变频到1ghz左右的中频（9501450mhz），然后经过中放送到接收机，避免了微波直接在电缆中传输的损耗。高频头增益一般在60db左右。室外的高频头和室内接收机之间用75电缆连接。由于高频头已有足够的增益，因此二三十米长电缆线引起的中频损耗对整机灵敏度影响很小。接收机对高频头送来的中频信号进行变频，使之成为电视频道的变频信号，送入电视机。10.2.2 高频头简介。直流送入微波输入波

22、导-微带转换低噪声放大混频中频放大本机振荡稳压中频输出接馈源 图10-10高频头系统结构框图23高频头的构成主要有以下几部分：波导-微带转换器，低噪声放大器，混频器，中频放大器。各部件的功能如下：1、波导微带转换器：波导微带转换器的作用是将馈源中所接收到的微波信号通过小天线、同轴线耦合到微带低噪声放大电路中。转换器的驻波比必须很低，否则接收到信号将被反射，等效于接收信号被衰减，增加整机噪音。2、低噪音放大器：低噪音放大器在任何微波接收系统中都处于前端位置，这是因为微波系统的噪音系数基本上取决于前级放大器的噪音系数，所以低噪音放大器是接收系统中相当重要的部件。微波集成电路放大器绝大部分采用微带电

23、路构成输入匹配电路，级间匹配电路和输出匹配电路。其中微波晶体管放大器输入匹配电路的任务就是把微波晶体管呈现的复数阻抗变换为信源实数阻抗（50 ohm的电阻性源阻抗）。对于低噪声放大器，则以噪声最低为设计出发点。级间匹配电路的基本任务是使后级微波管输入阻抗与前级微波管输出阻抗匹配，以获得较高增益。输出匹配电路把微波管复数输出阻抗匹配到负载实数阻抗50。3、本地振荡器：由于高频头一般置于室外，环境温度变化很大，为了获取足够稳定的本机振荡频率稳定度，又要使结构简单，一般采用介质振荡器，这样的振荡器稳定度很高。4、混频器：高频头内的低噪音放大器已有40db以上的增益，因此对混频器的噪音和变频损耗没有要

24、求。为了简化电路，大多使用单管混频，并在混频器前端加上微带式带通滤波器，由于镜频距离较远，该滤波器比较容易实现。5、中频放大器：中频频率低一些，可以使用分立器件。241、主要指标：接收所有单极化/双极化ku波段卫星信号excellent dro and gain flatness 双输出/四输出 输入频率范围:12.2512.75ghz f/d 比: 0.6 conversion gain: 55 db (typ) 输入波导截面: waveguide wr-75 极化隔离度: 20 db (typ) 噪声: 0.6db (typ) 增益平坦度: +/-1db/36 mhz image reje

25、ction: 45 db (min) 本振频率: 11.3ghz 本振频率稳定度: +/-2.5mhz -40 to +60 degrees celsius 输出频率范围: 9502150mhz 输出功率 (at 1db gain compression): 0db (min) 输出接口: 75ohms f type female 操作温度: -40 to +60 degrees celsius 252、外形结构：图10-14是gospell gkf-3300c的外观图。26合，将正交极化的信号分别送入各自的第一级低噪音放大器，再经第二级放大器，镜像滤波器，混频器，介质振荡器，中频滤波电路，中

26、频放大电路输出，外围电路主要是偏置电路，极化选择电路。图10-15高频端的内部电路图(除去屏蔽罩)3、电路板与电路框图将gospell gkf-3300c的外壳打开，并去掉屏蔽罩，就可以看到一个完整的典型的高频头电路板，如图10-15。从馈源可以看到信号通过两个相互正交的小天线耦2728具体电路框图见10-16。图10-16 高频端结构框架图下面对图10-15各个模块进行讨论。294、低噪音放大器低噪音放大器主要由输入匹配电路、放大器、输出匹配电路、偏置电路等四部分组成，见图10-17。其中输入匹配电路影响lna的噪音系数，输出匹配电路关系到lna的增益和稳定度，偏置电路决定放大器的工作状态。304、低噪音放大器实际电路板见图10-