一种Ku波段锁相环高频头的设计

徐 涛

（安徽四创电子股份有限公司，合肥 230088）

一种Ku波段锁相环高频头的设计

徐 涛

（安徽四创电子股份有限公司，合肥 230088）

高频头是一种数字卫星电视信号接收装置，它能对卫星接收信号进行变频和放大。本文介绍了一种Ku波段锁相环高频头的工作原理、性能指标、仿真结果、技术难点、实测结果，并在工程实践中实现批量化生产。

本振；低噪声放大器；噪声系数；滤波器

1 引言

随着我国基于中星九号直播卫星的“村村通” 、“户户通”工程的持续推广以及全球直播卫星产业的快速发展，市场对高频头的需求量越来越大，同时也推动了整个高频头产业的蓬勃发展，产品的种类越来越多，对性能的要求也越来越高。近年来，国内外VAST、动中通、动中看等移动卫星接收系统产业的快速发展，系统对高频头的指标要求越来越高，特别是本振稳定度的要求。传统的高频头本振电路都是采用介质谐振器的方案，其优点是成本低、易产业化批产，但是稳定度一般在±2MHz左右，只能满足卫星电视接收系统，不能满足卫星通信等工程领域的需求。卫星通信领域的高频头多采用锁相环方案，具有本振稳定度高、相位噪声低等特点。本文介绍了一种Ku波段锁相环高频头的设计方法。

2 主要性能指标

2.1 电性能指标要求

表1 电性能指标要求

2.2 环境适应要求

高频头工作温度范围为-40℃～60℃；相对湿度为10%～100%；对大气压要求是86kPa～100kPa。

3 Ku波段锁相环高频头的基本工作原理及系统框图

3.1 基本工作原理

卫星电视信号经Ku波段天线接收聚焦于高频头馈源口处，再由探针（或微带线）耦合到低噪声放大器第一级输入端，经Low Noise Amplifier（LNA）放大后，由带通滤波器选择所需的频段（10.7GHz～12.75GHz），再和本振混频后产生中频信号（950MHz～2150MHz），经中频放大器放大后由射频同轴连接器输出到数字卫星接收机（DVB）。

3.2 系统框图

图1 Ku锁相环高频头系统框图

4 Ku锁相环高频头主要单元电路设计

4.1 本振（Oscillator）

由于卫星电视信号多采用数字化方式传输，因此要求高频头（即下变频器）的本振具有低相位噪声，高稳定度等特点。设计中本振信号采用锁相环的方式实现，而不采用一般高频头的介质谐振器方式，以达到上述要求。

图2 11.3G本振相位噪声实测图

设计的本振频率为11.3GHz，采用6倍频的方式获得需要的本振频率。经过反复多次的调试和实验，最终得到的本振相噪测试图如图2所示，11.3G本振相位噪声在10kHz处是-87dBc。

图3 Ku锁相环高频头本振电路PCB图

4.2 低噪声放大器（LNA）

Ku波段下变频器总的噪声系数：

由式（1）可见，高频头的总的噪声系数主要由系统电路第一级低噪声放大单元的噪声系数和增益来决定的。要求LNA不仅要满足低噪声的要求，还要保证一定的放大增益，所以在LNA的设计时采用了两级放大。噪声系数在二端口网络中定义为：

式中，Sin为输入信号功率；Nin为输入噪声功率；Sout为输出信号功率；Nout为输出噪声功率。

最后我们使用ADS等仿真软件经过多次仿真优化，并经过反复多次的匹配电路调试试验，得到的整个系统的噪声系数指标为：Nf≤1.2dB；增益G≥60dB。具体的实测框图如图4所示。

图4 高频头噪声和增益的测试图

4.3 滤波器（Filter）

系统前端的滤波器采用的是镜像抑制带通滤波器，通带为12.25GHz～12.75GHz，镜像频带衰减要求大于40dB。Ku波段卫星高频头采用低本振（即本振频率小于信号频率），则镜像频率相应小于本振频率。考虑到放大管的增益曲线随频率的升高呈反比的特性，LNA对镜像频带内的噪声也提供相当的放大增益，如果不采取镜像抑制而直接混频的话，系统的噪声系数将严重恶化。例如：当信号频带和镜像频带内的噪声一样时，直接混频将使整机的系统噪声系数增加3dB。

本振电路模块中倍频电路部分，我们也采用了微带带通滤波器。由于PLL350-1875Y芯片输出的信号频率是1.883GHz，经过倍频电路6次倍频后必须用带通滤波器选出其6次谐波，才能得到所需的11.3GHz本振信号。

由于Ku波段高频头所有电路都集中在一个小腔体中，所以滤波器的尺寸应尽量小，我们选用的是小型交指型微带滤波器，通过使用ADS优化仿真，并使用矢量网络分析仪测试修订。最后我们设计的滤波器性能指标达到：带内平坦度＜3dB，带内驻波比＜1.5，镜像抑制大于40dB。

5 Ku锁相环高频头结构设计

产品的结构设计充分考虑到其性能特点和各种恶劣的工作环境，按照Ku一体化LNB来设计，输入端馈源采用矩形波导设计，使之具有良好的VSWR和辐射特性。采用馈源一体化结构方式，确保产品有良好的环境适应性、防水、防潮等性能，使产品能够在各种环境下稳定的接收信号，且更加经济实用，大大提高了生产效率。产品的腔体采用铝合金压铸成型，铝合金具有良好的结构强度、耐腐蚀性和易加工铸造性，从而很好的满足了产品的结构性能和高可靠性的要求。

射频输出接口采用标准的FL10-75ZY接口形式，易于维护。由于工作在室外，工作温度范围为-40℃～60℃，相对湿度为10%～100%。接口与馈线连接处采用防水胶带缠绕保护结构设计，可保护连接处不被雨淋，且易于安装、操作。产品腔体盖板和外壳均采用铝压铸件。

6 关键技术及解决途径

Ku波段锁相环高频头的本振电路部分是此项目电路设计的核心部分。在样品的初调阶段，PLL350-1875Y芯片输出的1.883GHz基频信号在频谱仪上显示时出现了曲线不平滑，有杂波小信号的现象，且中心频率左右摆动，幅度大概1kHz至2kHz。经过项目组全体成员反复试验和分析，判定可能是软件设置问题。最终，我们通过PIC12F510片子软件设置PLL350-1875Y的存储器，降低了分频比，解决了上述问题。

7 结束语

本文介绍了一种本振稳定度高、相位噪声低的Ku波段锁相环高频头，详细阐述了本振电路、低噪声放大器、滤波器等主要电路单元的设计方法、仿真和测试结果，通过调试最终达到了预期的设计指标，提供了一种高性价比的设计方案。

[1] 美Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko著．王子宇，张肇仪，徐承和译．射频电路设计--理论与设计[M]．北京：电子工业出版社，2002

[2] 陈艳华，李朝晖，夏玮．ADS应用详解-射频电路设计与仿真[M]．北京：人民邮电出版社，2008

[3] 顾继慧．微波技术[M]．北京：科学出版社，2004

[4] 谢嘉奎．电子线路[M]．北京：高等教育出版社，2001

[5] 陈邦媛．射频通信电路[M]．北京：科学出版社，2002

A Design of Ku-Band Locking Phase Oscillator LNBF

Xu Tao
(Anhui Sun Create Electronics Co., Ltd, Hefei, 230088)

The LNBF is a kind of digital satellite TV receiving equipment which can convert and amplify the signal received by satellite. This article introduces a design of Ku-Band two Locking Phase Oscillator LNBF of Anhui Sun Create Electronics Co., Ltd, and describes the principle, performance and indicators, the results of simulation, technical diffculties, and the results of measurement. Batch production of the LNBF was realized in practice.

Local Oscillator; Low Noise Amplifer; Noise Figure; Filter

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.12.005

TN927文献标示码：B

1672-7274（2014）12-0024-03

徐 涛，男，1981年生，工程师，长期从事车载移动卫星接收天线和Ku波段下变频器的工程技术工作。