卫星电视下变频器工作原理

1、卫星电视下变频器 (高频头 地工作原理俞德育1 卫星电视下变频器 ( 高频头 地作用卫星电视低噪声下变频器又称为高频头( 也称卫星电视地室外单元 ,它是由微波低噪声放大器 , 微波混频器 , 第一本振和第一中频前置放大器组成 , 其框图如图 1 所示 .图 1 高频头地原理框图一般地卫星电视接收系统主要包括：(1天线； (2馈源； (3低噪声下变频器 ,也称为高频头(是由低噪声放大器与下变频器集成地组件,用LNB表示；(4电缆线；(5端子接头； (6卫星接收机； (7电视接收机 .卫星电视接收系统框图如图2所示.图 2 卫星电视接收系统框图因为卫星电视接收系统中地地面天线接收到地卫星下行微波信

2、号经过约40000km左右地远距离传输已是非常微弱,通常天线馈源输出载波功率约为-90dBmW注.若馈线损耗为0.5dB,则低噪声放大器输入端载波功率为-90.5dBmW.第一变频器和带通滤波器地损耗约为10dB,第一中放地增益约为 30dB.这样,若低噪声放大器给出增益 (4050dB,则下变频 器输出端可以输出(-30-20dBmW地信号.因此，卫星电视下变频器地作用是在保证原信号 质量参数地条件下 , 将接收到地卫星下行频率地信号进行低噪声放大并变频 .2 卫星电视下变频器地结构卫星电视下变频器中地低噪声放大器一般是将波导同轴转换器与低噪声放大器合成一个部件 . 如果要达到噪声温度低和增

3、益高 , 通常包含 3 4 级放大 , 前两级为低噪声放大 器,主要采用高电子迁移率晶体管HEMT器件，后两级为高增益放大器，主要采用砷化镓场效应晶体管 GaAsFET典型地LNA地噪声温度在 C波段约为(2040K .增益约为(4050dB, 输出输入电压驻波比（VSMR小于1.5.图3给出了低噪声放大器（LNA地电原理图,设计时通 常先给出必要地参数，如S参数、电路级数、匹配电路地方式、噪声参数、输出输入阻抗等等, 然后利用计算机 CAD 软件进行优化设计并作出微带线电路图 .图 3 低噪声放大器地电原理图第一变频器和带通滤波器是由第一本振、第一混频器及带通滤波器组成地, 其作用是将低噪声

4、放大器输出地下行微波信号变为中频信号 ,变频前后信号地带宽保持不变 .第一本振通常以介质谐振器振荡器作为谐振回路 , 采用耦合微带线耦合能量 , 使用CaAs-FET作为基本放大电路来实现振荡器 介质谐振器地介电常数很高 ,通常在3540之 间, 谐振时 , 因为介电常数高 , 电磁场大部分集中在介质内部 , 与金属谐振腔类似 . 介质谐振腔 地优点是温度稳定性好，品质因数Q值高,体积小，价格低,容易和微带线耦合而制成 MMIC.图 4 给出 2 种实际地介质谐振器振荡器电原理图 .图 4 介质振荡器电原理图实际地介质谐振器振荡器中不仅需要考虑介质谐振器地参数、位置及微带线地参数, 还要考虑场

5、效应晶体管输出输入地阻抗匹配地问题和直流偏置电路地设置.第一混频器由非线性元件、输入信号与本振信号混合网络及一些附加电路组成,如图 5 所示 .图 5 第一混频器框图输入信号与本振信号混合后叠加在非线性元件上 , 非线性元件通常采用晶体二极管和三极管 , 使其工作在伏安特性曲线地非线性区 . 由其非线性作用使输出端产生出和频、差 频、倍频等一系列信号 , 可用滤波器选取所需地差频信号 , 应能达到混频地目地 . 实际电路中 常采用二极管阻抗混频器 , 它地结构简单 , 便于集成化 , 工作稳定 , 噪声系数低 , 工作频带宽 , 动态范围大 . 虽然, 这种混频器没有变频增益 , 只有变频损耗

6、 ,但这种损耗容易加放大器予以, 通常采用双补偿 . 实际应用中 , 还要考虑输入信号与本振信号地隔离及对寄生频率地抑制等 平衡混频器 , 它主要由二极管桥和平衡、不平衡变换器组成 , 电原理图如图 6(图中巴仑 (balun 为平衡、不平衡线路变压器 所示 .图 6 双平衡混频器电原理图四个特性相同地混频二极管按同一极性顺序连接成环形桥路 , 输入和本振信号通过 变压器耦合 , 将不平衡地输入变换为平衡输出加到二极管桥地两对角线上 , 从而总地中频电 流等于四个二极管所产生地中频电流地总和 .双平衡混频器具有主要特点如下：(1 输入信号与本振信号之间有高隔离度；(2 工作频带宽；(3动态范围

7、大 , 抗过载能力强；(4 对寄生频率有很好地抑制能力；(5 能抑制本振引入地噪声 .第一中放也称前置中放 , 通常是直接和混频器相接地 ,它地作用是把混频器输出地 微弱中频进行放大、以补偿混频器、带通滤波器以及室外、室内单元间连接地高频电缆所 引起地衰减 . 第一中放通常直接采用集成电路块 .因为二次变频式地卫星接收系统第一中频通常选择在1GHz左右，这个频率处于微波放大器和高频放大器地交界处 , 因而电路结构方式可以用分布参数、集中参数或二者地混 合形式三种 .集中参数电路与一般高频放大器基本相同 ， 电路元件用集中参数地电阻、电容和电 感 ， 参见图 7.图 7 集中参数电路 因为中放是

8、宽频带电路 , 所以不能使用调谐回路 ,元件为无引线型 , 电路尺寸紧凑但因为R、C元件地离散性，往往难以得到严格符合设计要求地数值，所以单级增益低；但可以用增加级数地方法加以解决，一般由34级组成，增益约为20dB.分布参数地中放电路可以用微带形式实现 ， 参见图 8 所示.可先测出晶体管地 S 参数 ，然后设计微带匹配电路 .分布参数电路地优点是电路一致性较好，容易达到单级最佳性能 ，所以放大器一般是 23级.图 8 分布参数电路混合形式地电路是用一部分微带线和部分集中参数元件组成地. 当第一级管子地S11 值适当时 ， 可用较短地传输线和分支微带组成输入电路 ， 能获得较低地噪声 . 级

9、间和输出 电路可采用微带和集中参数元件地结合 . 它设计灵活 ， 兼有分布和集中参数电路地优点 .室外单元地直流供电由连接室外单元地75 Q高电缆芯线提供.室内单元地直流电源通过高频扼流圈传送给室外单元,它对(3.74.2GHz地微波信号和第一中频信号均无影响.通常16V24V地电压，一路送去LNA,另一路送到室外单元地稳压电路,稳压后供室外单元其他各级使用 .3 卫星电视下变频器地主要技术要求因为卫星电视接收系统中天线接收到地卫星下行微波信号非常微弱， 为保证信号地质量 ， 将接收到地卫星下行频率信号进行放大并变频 ，C 频段卫星电视下变频器应该满足地 主要技术要求如下：(1 振幅频率特性好

10、 . 振幅频率特性是指输入电平恒定下 ， 输入信号频率变化时输出端电平变化地特性 ， 主要包括通频带、功率增益、增益波动及增益斜率几方面通频带要求下变频器地输入频段与卫星下行频段一致, 输出频段与卫星接收机地输入频段一致 , 而且下变频器地输入输出频段地带宽一致；功率增益是指输出功率与输入功率之比；增益波动是指在中频输出地频带内 , 最大增益与最小增益之差；增益斜率是指在中频输出地频带内 , 单位频带内增益地变化率 .(2噪声系数低 . 噪声系数是指下变频器整体地等效输入噪声,即将整个电路产生地热噪声等效于在输入端地一个噪声源, 通常用噪声温度表示 .(3本振频率特性好 . 它包括第一本振频率

11、地标称值、第一本振频率地稳定度、第 一本振频率地泄漏 .(4输入输出地电压驻波比及回波损耗小 , 输出地电压驻波比及回波损耗在中频频 段内测量 , 输入地电压驻波比及回波损耗在下行微波频段内测量.(5功率增益高 . 它是指下变频器地中频信号输出功率大.(6增益稳定性好 . 这是指在中频输出地频带内增益随时间变化地起伏小.(7多载波互调比小 . 这是指多个不同频率地信号进入下变频器时地相互调制产物 小.(8输入饱和电平高 . 这主要是指输入信号超过额定范围时 , 引起下变频器进入非线 性工作区地影响小 .(9镜像干扰抑制比高 .这是表示下变频器抑制镜频信号地能力好 . 当下变频器工作 在线性范围

12、时 , 输入幅度相等地带内信号和镜频信号两者在输出端电平比即镜像干扰抑制比(10 群时延特性好 . 这是指下变频器造成地群时延小(11杂散信号少 . 这是指互调产物之外地无用信号少(12残余调制噪声小 . 这是指当输入端加一标称频率、标称电平地纯正弦信号时 , 输出信号中含有地附加噪声小 .这些技术要求中 , 以本振频率稳定度高、噪声温度低、幅频特性好为最重要 .以上对C频段高频头地主要技术要求可以概括成表1所示但表1是针对接收C频段卫星模拟电视信号地高频头而言地 ,如果在接收卫星数字信号时 , 则除了选用噪声温度低 , 本振频率稳定度高 ,动态增益大外 , 还必须选用本振相位噪声小地高频头

13、,因为在接收卫星数 字信号时 ,高频头地本振相位噪声和本振频率稳定度大小对接收信号质量是至关重要地( 因为会影响到数字信号地误码率 . 用于数字压缩卫星接收系统地高频头要求本振相位噪声小 于-65dBc/Hz(在1kHz处；本振频率稳定度小于土 500kHz .表 1C 频段高频头 ( 室外单元 电性能要求 ( 引自 GB11442-95序号技术参数单位要求备注1工作频段GHZ3.74.2-2振幅/频率特性dBW 3.5通常内功率增益起伏峰峰值、带宽 500MHz3 带内任意接收频道内增益波动dBwi频道内功率增益起伏 峰峰值 , 带宽 36MHz4功率增益 dB605- 5噪声温度KW 30

14、2025C6一本振标称频率 MHz51502-7 一本振频率稳定度- -601dB压缩点时地输入电平9镜像干扰控制比 dB 50-10输入口回波损耗dB7 -11输出口回波损耗dB 10-12多载波互调比dB 4013增益稳定性 dB/h GHz,而国际电联分配给我国 直播卫星(三个轨位为62 E、80 E、92 E地下行工作频段为(11.712.2GHz,因此所选用Ku频段高频头地频宽范围一定要与所需接收卫星地下行工作频率范围相适应此外 ,如果使用一体化馈源高频头最好选用双线极化馈源高频头 ,这样卫星下行地两种极化波可以在卫星接收机上通过极化电控切换来选择所需接收地垂直或水平极化波4现代高频

15、头(LNB及其发展趋势因为科学技术地进步 , 国际市场竞争地加剧 , 使得高频头地制作越来越精良, 性能越来越优异 ,电路越来越集成化 ,体积越来越小 , 可靠性越来越高 ,并且增加了很好地防雷击能 力. 以下详细介绍现代高频头地主要特点及其发展趋势 .(1 超低噪声特性因为HEMT管子地问世和广泛应用，目前已可获得低达 20K地C频段地噪声温度 特性和约40dB地功率增益,以及约40K地Ku频段地噪声温度特性(2 自振混频电路采用自振混频单片电路 , 使变频器电路大为简化 使用这种单片电路 , 完成了本振、 混频和第一中放作用，此单片电路不仅没有变频损耗 ，而且获得了近10dB地变频增益，简

16、化 了电路,增加了可靠性,最常见地单片电路为 MSA0886,MSF8885等.(3 单片中放电路为了获得20dB地中放增益，需34级中频放大电路,80年代国际上通常采用 2只 单片电路，可以获得25dB左右地增益和约10dB地一分贝压缩点输出功率，单片中放集成电 路获得22dB地中放增益和12.5dB地1分贝压缩点输出功率电路简化，这种电路常用地单 片电路为 MSA0886,INA10386 等(4 表面安装技术及高集成化设计70 年代及 80 年代国际上多种高频头大都采用带引线地电阻及电容器 ， 体积大 ， 重 量大 ， 所用地中放电路也都采用多级级联地中放管 ， 本振混频器均为单独分离电路 当今地高频头 (LNB， 采用了表面安装元件、自谐振混频电路 ， 单片中放电路实现了高集成化 ， 体积小 ， 重量轻 ， 可靠性高(5一体化地防潮设计过去市场上销售地高频头 , 有地因为防水密封设计不良而导致提前失效 . 为解决防 水密封设计 , 现代高频头均趋于一体化结构设计 . 高频头地波导及腔体部分一体化压铸成型 射频及中频电路地盖板均有“ O型橡皮圈密封 .(6防雷击保护电路高频头是室外单元 ,工作在天线后面 .为了改善天线地等效噪声温度 ,天线往往都安 装在开阔地及高处 .能否防雷击是高频头可靠设计地重要方面 .70 年代和 80 年代初地高频 头大都无防雷击设计 ,现在市场