衛星電視高頻頭工作原理

1　衛星電視下變頻器(高頻頭)的作用
　　衛星電視低噪聲下變頻器又稱為高頻頭(也稱衛星電視的室外單元)，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

　　一般的衛星電視接收系統主要包括：(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)衛星接收機；(7)電視接收機。
　　衛星電視接收系統框圖如圖2所示。

圖2　衛星電視接收系統框圖

　　由于衛星電視接收系統中的地面天線接收到的衛星下行微波信號經過約40 000 km左右的遠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，衛星電視下變頻器的作用是在保證原信號質量參數的條件下，將接收到的衛星下行頻率的信號進行低噪聲放大并變頻。

　　衛星電視下變頻器中的低噪聲放大器一般是將波導同軸轉換器與低噪聲放大器合成一個部件。如果要達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，設計時通常先給出必要的參數，如S參數、電路級數、匹配電路的方式、噪聲參數、輸出輸入阻抗等等，然后利用計算機CAD軟件進行優化設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為中頻信號，變頻前后信號的帶寬保持不變。
　　第一本振通常以介質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現振蕩器。介質諧振器的介電常數很高，通常在35～40之間，諧振時，由于介電常數高，電磁場大部分集中在介質內部，與金屬諧振腔類似。介質諧振腔的優點是溫度穩定性好，品質因數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種實際的介質諧振器振蕩器電原理圖。

圖4　介質振蕩器電原理圖

　　實際的介質諧振器振蕩器中不僅需要考慮介質諧振器的參數、位置及微帶線的參數，還要考慮場效應晶體管輸出輸入的阻抗匹配的問題和直流偏置電路的設置。
　　第一混頻器由非線性元件、輸入信號與本振信號混合網絡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。由其非線性作用使輸出端產生出和頻、差頻、倍頻等一系列信號，可用濾波器選取所需的差頻信號，應能達到混頻的目的。實際電路中，常采用二極管阻抗混頻器，它的結構簡單，便于集成化，工作穩定，噪聲系數低，工作頻帶寬，動態范圍大。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償。實際應用中，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生的中頻電流的總和。
　　雙平衡混頻器具有主要特點如下：
　　(1)輸入信號與本振信號之間有高隔離度；
　　(2)工作頻帶寬；
　　(3)動態范圍大，抗過載能力強；
　　(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行放大、以補償混頻器、帶通濾波器以及室外、室內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星接收系統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，因而電路結構方式可以用分布參數、集中參數或二者的混合形式三種。
　　集中參數電路與一般高頻放大器基本相同，電路元件用集中參數的電阻、電容和電感，參見圖7。

圖7　集中參數電路

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

圖8　分布參數電路

　　混合形式的電路是用一部分微帶線和部分集中參數元件組成的。當第一級管子的S₁₁值適當時，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元件的結合。它設計靈活，兼有分布和集中參數電路的優點。
　　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壓電路，穩壓后供室外單元其他各級使用。

　　由于衛星電視接收系統中天線接收到的衛星下行微波信號非常微弱，為保證信號的質量，將接收到的衛星下行頻率信號進行放大并變頻，C頻段衛星電視下變頻器應該滿足的主要技術要求如下：
　　(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星下行頻段一致，輸出頻段與衛星接收機的輸入頻段一致，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，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，單位頻帶內增益的變化率。
　　(2)噪聲系數低。噪聲系數是指下變頻器整體的等效輸入噪聲，即將整個電路產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稱值、第一本振頻率的穩定度、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測量，輸入的電壓駐波比及回波損耗在下行微波頻段內測量。
　　(5)功率增益高。它是指下變頻器的中頻信號輸出功率大。
　　(6)增益穩定性好。這是指在中頻輸出的頻帶內增益隨時間變化的起伏小。
　　(7)多載波互調比小。這是指多個不同頻率的信號進入下變頻器時的相互調制產物小。
　　(8)輸入飽和電平高。這主要是指輸入信號超過額定范圍時，引起下變頻器進入非線性工作區的影響小。
　　(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。當下變頻器工作在線性范圍時，輸入幅度相等的帶內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。這是指互調產物之外的無用信號少。
　　(12)殘余調制噪聲小。這是指當輸入端加一標稱頻率、標稱電平的純正弦信號時，輸出信號中含有的附加噪聲小。
　　這些技術要求中，以本振頻率穩定度高、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要求可以概括成表1所示。但表1是針對接收C頻段衛星模擬電視信號的高頻頭而言的，如果在接收衛星數字信號時，則除了選用噪聲溫度低，本振頻率穩定度高，動態增益大外，還必須選用本振相位噪聲小的高頻頭，因為在接收衛星數字信號時，高頻頭的本振相位噪聲和本振頻率穩定度大小對接收信號質量是至關重要的(因為會影響到數字信號的誤碼率)。用于數字壓縮衛星接收系統的高頻頭要求本振相位噪聲小于-65 dBc/Hz(在1 kHz處)；本振頻率穩定度小于±500 kHz。

　　由于科學技術的進步，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。以下詳細介紹現代高頻頭的主要特點及其發展趨勢。
　　(1)超低噪聲特性
　　由于HEMT管子的問世和廣泛應用，目前已可獲得低達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)表面安裝技術及高集成化設計
　　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的中放管，本振混頻器均為單獨分離電路。
　　當今的高頻頭(LNB)，采用了表面安裝元件、自諧振混頻電路，單片中放電路實現了高集成化，體積小，重量輕，可靠性高。
　　(5)一體化的防潮設計
　　過去市場上銷售的高頻頭，有的由于防水密封設計不良而導致提前失效。為解決防水密封設計，現代高頻頭均趨于一體化結構設計。高頻頭的波導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計，現在市場上的高頻頭也有無防雷擊設計的。有防雷擊設計的大都防雷擊能力在1 500 V左右，而改進后的現代高頻頭的防雷擊能力高達3 000 V。
　　(7)現代高頻頭的新發展
　　現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兩個頻段的衛星下行信號，這就大大地簡化了整個饋源系統，提高了整個天饋系統的使用效果。
　　(8)鑒于衛星數字電視的廣泛應用，目前已開發出本振頻率穩定度高，本振相位噪聲低的現代高頻頭，因其產生的數字信號誤碼極小，特別適用于對衛星數字電視信號的良好接收。

　?。圩ⅲ?dBmW定義為取1毫克作基準值，以分貝表示的絕對功率電平，mW是毫瓦的代號。