天华中威科技微波小课堂_一种Ka波段卫星收发前端设计与实现

本文介绍了一种 Ka 波段卫星收发前端的设计与实现。本设计采用了以一个电调滤波器达到射频分段滤波方案，实现了宽带低杂散和小型化。该收发前端采用模块化设计，主要由 Ka 上变频模块、K 接收模块、Ka 功放模块及电源和控制电路等模块构成，工作频段覆盖 Ka 波段卫星通信全频段。测试结果表明该收发前端实现了 Ka 波段发射功率均大于 2W，增益大于 50dB。K 波段接收机噪声系数为 2.22dB，接收增益为 52dB。

1 引言

近年来，人们对卫星通讯要求的提高以及卫星通讯领域相关技术的迅猛发展，卫星通讯的应用范围逐渐扩大。但随着传统 C、Ku 波段轨位和频率资源的日趋稀缺，微波频段已因各种应用而饱和，对高数据速率数字通信的需求不断增加。卫星通信同步向 Ka 波段宽带方向发展已成为必然趋势，所以研究此类型收发前端具有重要的工程意义。

本文介绍了一种Ka波段卫星收发前端的设计，通过采用电调滤波器在将射频分段的同时实现了宽带低杂散和小型化。

2 系统方案设计

本文研究的Ka波段卫星收发前端采用模块化设计，主要由 Ka 上变频模块、K 接收模块、Ka 功放模块及电源和控制电路等模块构成，其总体设计方案框图如图 1 所示。

图 1 总体设计方案框图

为了改善杂散抑制并减小体积，该收发前端采用射频分段滤波方案，Ka 发射模块采用了以一个电调腔体滤波器实现射频分段滤波的方案，整机通过外部控制电压的改变来实现射频分段滤波。

发射模块实现将来自调制器的3.8GHz±200MHz 中频信号经过滤波、中频预放大、数控衰减及温度补偿之后与锁相环模块产生的本振信号经谐波混频上变频至 27.5~31GHz，再经电调滤波器和驱动放大，最后功率放大到 2W ，并通过双工器通过9.3mm×9.3mm 方波导输出给天线。

接收模块实现将来自天线的19.6~21.2GHz 信号经双工器、低噪声放大器及镜频抑制滤波器，再下变频到 3.2GHz±200MHz，最后经滤波放大后输出。

系统主要技术指标如下：

（1）Ka 发射频率：27.5~31GHz

          K 接收频率：19.6~21.2GHz

（2）发射功率：2W

（3）接收噪声系数：≤2.7dB

（4）接收增益：≥50dB

（5）发射增益：≥50dB

（6）杂散抑制：≥50dBc

（7）相位噪声：≤-63dBc/Hz@100Hz

                            ≤-73dBc/Hz@1kHz

                            ≤-83dBc/Hz@10kHz

                            ≤-93dBc/Hz@100kHz

3 整机结构及关键电路设计

3.1 整机结构

为了使整个收发前端体积尽可能小，电源及控制模块与该收发前端上盖板做在一起，也便于散热，并采取排针对插方式与其余模块连接。双工器采用和整机结构一体加工形式，减小了腔壁厚度，空间利用率大幅提高，也能减少后期装配所引入的一些误差，其余各模块之间连接均采用波导互连，减少了连接器及线缆的使用，且各模块均采取了枝节压块的分腔设计，这样可以增强电磁屏蔽并提供良好的接地，该收发前端整机尺寸为150mm×120mm×44.5mm。

3.2 关键电路设计

对于功放模块，由于要求输出功率大于 2W（33dBm）,在考虑到之后波导微带过渡、双工器以及到天线的波导过渡带来的损耗，在国产化背景下，最终采用了某公司的 4W GaN 功放裸片，采用金丝键合方式连接。

对于接收模块来说，噪声系数是衡量接收机灵敏度的重要参数，为了尽可能减小噪声系数，接收模块采用了两级低噪声放大器进行匹配放大，这样可以在降低噪声系数的同时提高射频增益。

Ka 发射模块在上述频率规划及采用谐波混频方案和内部集成VCO的锁相环芯片的情况下，经过方案验证总会不可避免的还是会有一些杂散落入通带内或离通带太近，比如3/2fLO+2fIF、2fLO+2fIF、2LO 等杂散，如图 2 所示。

图 2 杂散频谱示意图

为了改善杂散抑制并减少体积，增添了一个电调滤波器，通带分别为27.5~29.1GHz 、 28.4~30GHz及29.4~31GHz。通过单片机控制伺服电机在不同频率下改变腔体谐振结构从而改变滤波器通带，测试结果由于篇幅所限，这里只展出中间通带的测试结果，如图 3 所示。

通过采用该电调滤波器，与传统Ka 收发前端相比，工作频带覆盖Ka 波段卫星通信全频段实现了宽带低杂散，且整机体积更小。

图 3 电调滤波器 28.4~30GHz 通带测试结果

4 测试结果

研制的Ka波段卫星收发前端整机实物图如图 4 所示。

图 4 Ka 波段卫星收发前端实物图

在输出功率为 2W 情况下测试，这里在收发前端后接入一个大功率固定衰减器，衰减值为 48dB，在频谱仪补偿后典型杂散抑制结果如图 5 所示，可见由于采取电调滤波器，杂散抑制优于 67dBc。

图 5 Ka 波段典型杂散抑制结果

接收和发射增益经测试均大于50dB，这里由于篇幅有限，只给出一些其余关键参数的测试结果。

K 波段接收模块噪声系数小于2.26dB。

图 6 接收模块噪声系数及增益测试曲线图

发射模块在 31GHz 相位噪声测试结果为 -68.31dBc/Hz@100Hz 、-82.90dBc/Hz@ 1kHz 、-90.63dBc/Hz@10kHz 和-93.36 dBc/Hz@100kHz。

图 7 Ka 波段相位噪声测试结果

5 结论

本文介绍了一种Ka波段卫星收发前端。该收发前端通过采用电调滤波器实现了宽带低杂散及小型化需求，该收发前端经设计调试，各项指标均达到设计要求，工作频段将 Ka 波段卫星通信军用频段和民用频段全覆盖，在“动中通”系统中具有一定的工程应用价值。