衛(wèi)星電視高頻頭工作原理

1　衛(wèi)星電視下變頻器(高頻頭)的作用
　　衛(wèi)星電視低噪聲下變頻器又稱為高頻頭(也稱衛(wèi)星電視的室外單元)，它是由微波低噪聲放大器，微波混頻器，第一本振和第一中頻前置放大器組成，其框圖如圖1所示。

圖1　高頻頭的原理框圖

　　一般的衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)主要包括：(1)天線；(2)饋源；(3)低噪聲下變頻器，也稱為高頻頭(是由低噪聲放大器與下變頻器集成的組件)，用LNB表示；(4)電纜線；(5)端子接頭；(6)衛(wèi)星接收機(jī)；(7)電視接收機(jī)。
　　衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)框圖

　　由于衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中的地面天線接收到的衛(wèi)星下行微波信號經(jīng)過約40 000 km左右的遠(yuǎn)距離傳輸已是非常微弱，通常天線饋源輸出載波功率約為-90dBmW^［注］。若饋線損耗為0.5 dB，則低噪聲放大器輸入端載波功率為-90.5 dBmW。第一變頻器和帶通濾波器的損耗約為10 dB，第一中放的增益約為30 dB。這樣，若低噪聲放大器給出增益(40～50) dB，則下變頻器輸出端可以輸出(-30～-20) dBmW的信號。因此，衛(wèi)星電視下變頻器的作用是在保證原信號質(zhì)量參數(shù)的條件下，將接收到的衛(wèi)星下行頻率的信號進(jìn)行低噪聲放大并變頻。

　　衛(wèi)星電視下變頻器中的低噪聲放大器一般是將波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器與低噪聲放大器合成一個部件。如果要達(dá)到噪聲溫度低和增益高，通常包含3～4級放大，前兩級為低噪聲放大器，主要采用高電子遷移率晶體管HEMT器件，后兩級為高增益放大器，主要采用砷化鎵場效應(yīng)晶體管GaAsFET。典型的LNA的噪聲溫度在C波段約為(20～40)°K。增益約為(40～50) dB，輸出輸入電壓駐波比(VSMR)小于1.5。圖3給出了低噪聲放大器(LNA)的電原理圖，設(shè)計時通常先給出必要的參數(shù)，如S參數(shù)、電路級數(shù)、匹配電路的方式、噪聲參數(shù)、輸出輸入阻抗等等，然后利用計算機(jī)CAD軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計并作出微帶線電路圖。

圖3　低噪聲放大器的電原理圖

　　第一變頻器和帶通濾波器是由第一本振、第一混頻器及帶通濾波器組成的，其作用是將低噪聲放大器輸出的下行微波信號變?yōu)橹蓄l信號，變頻前后信號的帶寬保持不變。
　　第一本振通常以介質(zhì)諧振器振蕩器作為諧振回路，采用耦合微帶線耦合能量，使用CaAs-FET作為基本放大電路來實(shí)現(xiàn)振蕩器。介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)很高，通常在35～40之間，諧振時，由于介電常數(shù)高，電磁場大部分集中在介質(zhì)內(nèi)部，與金屬諧振腔類似。介質(zhì)諧振腔的優(yōu)點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性好，品質(zhì)因數(shù)Q值高，體積小，價格低，容易和微帶線耦合而制成MMIC。
　　圖4給出2種實(shí)際的介質(zhì)諧振器振蕩器電原理圖。

圖4　介質(zhì)振蕩器電原理圖

　　實(shí)際的介質(zhì)諧振器振蕩器中不僅需要考慮介質(zhì)諧振器的參數(shù)、位置及微帶線的參數(shù)，還要考慮場效應(yīng)晶體管輸出輸入的阻抗匹配的問題和直流偏置電路的設(shè)置。
　　第一混頻器由非線性元件、輸入信號與本振信號混合網(wǎng)絡(luò)及一些附加電路組成，如圖5所示。

圖5　第一混頻器框圖

　　輸入信號與本振信號混合后疊加在非線性元件上，非線性元件通常采用晶體二極管和三極管，使其工作在伏安特性曲線的非線性區(qū)。由其非線性作用使輸出端產(chǎn)生出和頻、差頻、倍頻等一系列信號，可用濾波器選取所需的差頻信號，應(yīng)能達(dá)到混頻的目的。實(shí)際電路中，常采用二極管阻抗混頻器，它的結(jié)構(gòu)簡單，便于集成化，工作穩(wěn)定，噪聲系數(shù)低，工作頻帶寬，動態(tài)范圍大。雖然，這種混頻器沒有變頻增益，只有變頻損耗，但這種損耗容易加放大器予以補(bǔ)償。實(shí)際應(yīng)用中，還要考慮輸入信號與本振信號的隔離及對寄生頻率的抑制等，通常采用雙平衡混頻器，它主要由二極管橋和平衡、不平衡變換器組成，電原理圖如圖6(圖中巴侖(balun)為平衡、不平衡線路變壓器)所示。

圖6　雙平衡混頻器電原理圖

　　四個特性相同的混頻二極管按同一極性順序連接成環(huán)形橋路，輸入和本振信號通過變壓器耦合，將不平衡的輸入變換為平衡輸出加到二極管橋的兩對角線上，從而總的中頻電流等于四個二極管所產(chǎn)生的中頻電流的總和。
　　雙平衡混頻器具有主要特點(diǎn)如下：
　　(1)輸入信號與本振信號之間有高隔離度；
　　(2)工作頻帶寬；
　　(3)動態(tài)范圍大，抗過載能力強(qiáng)；
　　(4)對寄生頻率有很好的抑制能力；
　　(5)能抑制本振引入的噪聲。
　　第一中放也稱前置中放，通常是直接和混頻器相接的，它的作用是把混頻器輸出的微弱中頻進(jìn)行放大、以補(bǔ)償混頻器、帶通濾波器以及室外、室內(nèi)單元間連接的高頻電纜所引起的衰減。第一中放通常直接采用集成電路塊。
　　由于二次變頻式的衛(wèi)星接收系統(tǒng)第一中頻通常選擇在1 GHz左右，這個頻率處于微波放大器和高頻放大器的交界處，因而電路結(jié)構(gòu)方式可以用分布參數(shù)、集中參數(shù)或二者的混合形式三種。
　　集中參數(shù)電路與一般高頻放大器基本相同，電路元件用集中參數(shù)的電阻、電容和電感，參見圖7。

圖7　集中參數(shù)電路

　　由于中放是寬頻帶電路，所以不能使用調(diào)諧回路，元件為無引線型，電路尺寸緊湊。但由于R、C元件的離散性，往往難以得到嚴(yán)格符合設(shè)計要求的數(shù)值，所以單級增益低；但可以用增加級數(shù)的方法加以解決，一般由3～4級組成，增益約為20 dB。
　　分布參數(shù)的中放電路可以用微帶形式實(shí)現(xiàn)，參見圖8所示。可先測出晶體管的S參數(shù)，然后設(shè)計微帶匹配電路。分布參數(shù)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路一致性較好，容易達(dá)到單級最佳性能，所以放大器一般是2～3級。

圖8　分布參數(shù)電路

　　混合形式的電路是用一部分微帶線和部分集中參數(shù)元件組成的。當(dāng)?shù)谝患壒茏拥腟₁₁值適當(dāng)時，可用較短的傳輸線和分支微帶組成輸入電路，能獲得較低的噪聲。級間和輸出電路可采用微帶和集中參數(shù)元件的結(jié)合。它設(shè)計靈活，兼有分布和集中參數(shù)電路的優(yōu)點(diǎn)。
　　室外單元的直流供電由連接室外單元的75 Ω高電纜芯線提供。室內(nèi)單元的直流電源通過高頻扼流圈傳送給室外單元，它對(3.7～4.2) GHz的微波信號和第一中頻信號均無影響。通常16 V～24 V的電壓，一路送去LNA，另一路送到室外單元的穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓后供室外單元其他各級使用。

　　由于衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中天線接收到的衛(wèi)星下行微波信號非常微弱，為保證信號的質(zhì)量，將接收到的衛(wèi)星下行頻率信號進(jìn)行放大并變頻，C頻段衛(wèi)星電視下變頻器應(yīng)該滿足的主要技術(shù)要求如下：
　　(1)振幅—頻率特性好。振幅—頻率特性是指輸入電平恒定下，輸入信號頻率變化時輸出端電平變化的特性，主要包括通頻帶、功率增益、增益波動及增益斜率幾方面。
　　通頻帶要求下變頻器的輸入頻段與衛(wèi)星下行頻段一致，輸出頻段與衛(wèi)星接收機(jī)的輸入頻段一致，而且下變頻器的輸入輸出頻段的帶寬一致；
　　功率增益是指輸出功率與輸入功率之比；
　　增益波動是指在中頻輸出的頻帶內(nèi)，最大增益與最小增益之差；
　　增益斜率是指在中頻輸出的頻帶內(nèi)，單位頻帶內(nèi)增益的變化率。
　　(2)噪聲系數(shù)低。噪聲系數(shù)是指下變頻器整體的等效輸入噪聲，即將整個電路產(chǎn)生的熱噪聲等效于在輸入端的一個噪聲源，通常用噪聲溫度表示。
　　(3)本振頻率特性好。它包括第一本振頻率的標(biāo)稱值、第一本振頻率的穩(wěn)定度、第一本振頻率的泄漏。
　　(4)輸入輸出的電壓駐波比及回波損耗小，輸出的電壓駐波比及回波損耗在中頻頻段內(nèi)測量，輸入的電壓駐波比及回波損耗在下行微波頻段內(nèi)測量。
　　(5)功率增益高。它是指下變頻器的中頻信號輸出功率大。
　　(6)增益穩(wěn)定性好。這是指在中頻輸出的頻帶內(nèi)增益隨時間變化的起伏小。
　　(7)多載波互調(diào)比小。這是指多個不同頻率的信號進(jìn)入下變頻器時的相互調(diào)制產(chǎn)物小。
　　(8)輸入飽和電平高。這主要是指輸入信號超過額定范圍時，引起下變頻器進(jìn)入非線性工作區(qū)的影響小。
　　(9)鏡像干擾抑制比高。這是表示下變頻器抑制鏡頻信號的能力好。當(dāng)下變頻器工作在線性范圍時，輸入幅度相等的帶內(nèi)信號和鏡頻信號兩者在輸出端電平比即鏡像干擾抑制比。
　　(10)群時延特性好。這是指下變頻器造成的群時延小。
　　(11)雜散信號少。這是指互調(diào)產(chǎn)物之外的無用信號少。
　　(12)殘余調(diào)制噪聲小。這是指當(dāng)輸入端加一標(biāo)稱頻率、標(biāo)稱電平的純正弦信號時，輸出信號中含有的附加噪聲小。
　　這些技術(shù)要求中，以本振頻率穩(wěn)定度高、噪聲溫度低、幅頻特性好為最重要。
　　以上對C頻段高頻頭的主要技術(shù)要求可以概括成表1所示。但表1是針對接收C頻段衛(wèi)星模擬電視信號的高頻頭而言的，如果在接收衛(wèi)星數(shù)字信號時，則除了選用噪聲溫度低，本振頻率穩(wěn)定度高，動態(tài)增益大外，還必須選用本振相位噪聲小的高頻頭，因?yàn)樵诮邮招l(wèi)星數(shù)字信號時，高頻頭的本振相位噪聲和本振頻率穩(wěn)定度大小對接收信號質(zhì)量是至關(guān)重要的(因?yàn)闀绊懙綌?shù)字信號的誤碼率)。用于數(shù)字壓縮衛(wèi)星接收系統(tǒng)的高頻頭要求本振相位噪聲小于-65 dBc/Hz(在1 kHz處)；本振頻率穩(wěn)定度小于±500 kHz。

　　由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國際市場競爭的加劇，使得高頻頭的制作越來越精良，性能越來越優(yōu)異，電路越來越集成化，體積越來越小，可靠性越來越高，并且增加了很好的防雷擊能力。以下詳細(xì)介紹現(xiàn)代高頻頭的主要特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢。
　　(1)超低噪聲特性
　　由于HEMT管子的問世和廣泛應(yīng)用，目前已可獲得低達(dá)20°K的C頻段的噪聲溫度特性和約40 dB的功率增益，以及約40°K的Ku頻段的噪聲溫度特性。
　　(2)自振混頻電路
　　采用自振混頻單片電路，使變頻器電路大為簡化。使用這種單片電路，完成了本振、混頻和第一中放作用，此單片電路不僅沒有變頻損耗，而且獲得了近10 dB的變頻增益，簡化了電路，增加了可靠性，最常見的單片電路為MSA0886，MSF8885等。
　　(3)單片中放電路
　　為了獲得20 dB的中放增益，需3～4級中頻放大電路，80年代國際上通常采用2只單片電路，可以獲得25 dB左右的增益和約10 dB的一分貝壓縮點(diǎn)輸出功率，單片中放集成電路獲得22 dB的中放增益和12.5 dB的1分貝壓縮點(diǎn)輸出功率。電路簡化，這種電路常用的單片電路為MSA0886，INA10386等。
　　(4)表面安裝技術(shù)及高集成化設(shè)計
　　70年代及80年代國際上多種高頻頭大都采用帶引線的電阻及電容器，體積大，重量大，所用的中放電路也都采用多級級聯(lián)的中放管，本振混頻器均為單獨(dú)分離電路。
　　當(dāng)今的高頻頭(LNB)，采用了表面安裝元件、自諧振混頻電路，單片中放電路實(shí)現(xiàn)了高集成化，體積小，重量輕，可靠性高。
　　(5)一體化的防潮設(shè)計
　　過去市場上銷售的高頻頭，有的由于防水密封設(shè)計不良而導(dǎo)致提前失效。為解決防水密封設(shè)計，現(xiàn)代高頻頭均趨于一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計。高頻頭的波導(dǎo)及腔體部分一體化壓鑄成型，射頻及中頻電路的蓋板均有“O”型橡皮圈密封。
　　(6)防雷擊保護(hù)電路
　　高頻頭是室外單元，工作在天線后面。為了改善天線的等效噪聲溫度，天線往往都安裝在開闊地及高處。能否防雷擊是高頻頭可靠設(shè)計的重要方面。70年代和80年代初的高頻頭大都無防雷擊設(shè)計，現(xiàn)在市場上的高頻頭也有無防雷擊設(shè)計的。有防雷擊設(shè)計的大都防雷擊能力在1 500 V左右，而改進(jìn)后的現(xiàn)代高頻頭的防雷擊能力高達(dá)3 000 V。
　　(7)現(xiàn)代高頻頭的新發(fā)展
　　現(xiàn)代高頻頭已做成雙極化高頻頭和雙頻段高頻頭，前者可同時接收到衛(wèi)星下行的兩種極化波信號，后者可同時接收到C與Ku兩個頻段的衛(wèi)星下行信號，這就大大地簡化了整個饋源系統(tǒng)，提高了整個天饋系統(tǒng)的使用效果。
　　(8)鑒于衛(wèi)星數(shù)字電視的廣泛應(yīng)用，目前已開發(fā)出本振頻率穩(wěn)定度高，本振相位噪聲低的現(xiàn)代高頻頭，因其產(chǎn)生的數(shù)字信號誤碼極小，特別適用于對衛(wèi)星數(shù)字電視信號的良好接收。

　　［注］ dBmW定義為取1毫克作基準(zhǔn)值，以分貝表示的絕對功率電平，mW是毫瓦的代號。