某深空探测系统高灵敏度接收前端研制

花婷婷

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

继卫星应用、载人航天之后，人类的宇宙探索已经步入深空领域。深空探测是指人类航天器对太阳系内除地球之外的各大行星及其卫星、小行星和彗星等的探测，深空探测能力反映了国家的综合国力和核心竞争力[1]。在深空探测活动中，由于各种宇宙背景噪声的影响，回波信号及极其微弱，因此研制高灵敏度的模拟接收前端成为深空探测系统确保通信正常、改善路径损失最行之有效的方法之一。

本文设计的高灵敏度接收前端组件位于水平/垂直极化天线输出端与射频直接数字化单元的输入端之间，组件由限幅滤波低噪放单元、通带选择单元、自动增益控制单元和校正单元等组成，主要负责将天线回波信号进行限幅滤波低噪声放大，然后输入给通带选择单元进行选择滤波输出后再进行功率补偿放大，最后输出信号被送入后面的射频直接数字化单元处理。对于应用在深空探测领域的模拟接收前端来说,首先要保证灵敏度达到系统指标要求，同时兼顾谐杂波抑制、通道稳定性和通道间一致性等指标。此外,在满足系统电性能技术指标的前提下, 由于应用在深空探测领域，应该重点考虑以下几方面的内容，一是把继承性放在首位，最大限度地采用已经验证或成熟的器件和技术；二是尽量降低系统复杂度，简化设计方案,保证设计可靠性[2]。依据上述思路,本文设计了一种高灵敏度接收前端组件,给出了其实现方案、主要指标分析,并给出了设计完成的电性件测试结果。

1 电路设计

接收前端组件原理如图1所示。雷达模式下同时两路模拟接收通道进行回波信号接收，水平极化天线模拟接收链路包括接收耦合、限幅器、低通滤波器、低噪放、通带选择单元、AGC放大滤波，垂直极化天线模拟接收链路与水平极化完全相同。校正单元用于调整校正信号幅度以及增益线性度定标，其中低通滤波器和数控衰减器与接收通道中的相同。

1.1 限幅滤波低噪放单元设计

限幅滤波低噪放单元主要由接收耦合器、限幅器、低通滤波器及低噪声放大器组成。考虑到航天电路体积重量等限制，将微带耦合电路和整流二极管限幅电路合在一起做成表贴模块，原理如图2所示。该耦合限幅器可以避免由于天线开路、发射功率全反射而造成的对接收系统的伤害，当未达到限幅器启动的功率，微波信号也可以接近无损地通过。微波信号紧接着经过前端预选低通滤波器来抑制外部干扰和噪声后，送入低噪声放大器进行放大和输出。

图2 带耦合功能的限幅器原理图

由接收系统分配增益和级联噪声系数计算公式[3]可知，系统的噪声系数主要由前级放大器的噪声系数决定，前级放大器的增益越高，后级电路对噪声系数的影响就越小，而接收系统带宽确定后，噪声系数又决定了系统灵敏度。根据灵敏度传统的经典定义，对接收系统而言，雷达能够检测到的最小信号能量为在信号带宽内常温下等效到接收系统输入端的白噪声功率电平(此时，输出端的信噪比为1)，其值为：

Simin(dBm)=-114+10lgBW(MHz)+NF(dB)

其中BW为信号带宽，NF为噪声系数，所以要提高接收前端的灵敏度，必须尽量减小信号带宽，减小系统的噪声系数[4]。通过计算链路增益分配，选择第一级低噪放的增益大于等于18 dB，噪声系数小于等于2.5 dB。

1.2 通带选择单元设计

通带选择单元为信号提供分段滤波选频，将宽带信号变为窄带信号，从而提高接收灵敏度。通带选择单元主要由GaAs射频开关、LC滤波器等单元构成，滤波器将杂波信号抑制到要求的电平，最后由开关选通后输出，原理图如图3所示。

图3 通带选择单元原理图

根据带外抑制指标要求，选用成熟的5阶契比雪夫电路设计三款带通滤波器，并采用相同的电路拓扑结构，对电路结构进行优化，控制电感的数量，即每个滤波器中电感种类为3个。其中单个通带滤波拓扑结构如图4所示，经过仿真优化得到的通带2传输特性和群延时特性曲线如图5所示。可以看到, 滤波器通带的插入损耗控制在1 dB以下，仿真计算滤波器的通带延时最大为130 ns，而射频开关的最大开关时间小于20 ns，所以通道切换时间小于170 ns，满足系统小于200 ns的指标要求。

图4 带通滤波器拓扑电路结构

图5 通带选择单元通带2滤波器仿真特性曲线

1.3 自动增益控制单元设计

天线回波信号经低噪放和通道选择单元处理后得到系统所需的基带信号，为了保证后续射频直接数字化单元能够准确地转换信号，基带信号必须经过自动增益控制单元进行功率调整，从而提高整体接收性能[5]。自动增益控制单元在整个射频前端中的作用是：对弱信号进行补偿放大，对强信号进行衰减调整，保证信号幅度在射频直接数字化单元ADC输入的动态范围内。

自动增益控制单元电路设计方案如图6所示，主要由固定增益放大器和数控衰减器组成。选用的固定增益放大器抗辐照总剂量可达300 Krad(Si)，可满足宇航长寿命工作要求，同时具有工作频带宽、噪声低、温度性能好等显著特点。由于单片放大器的增益只有18 dB，输出1 dB压缩点高达14 dBm，故采用三级级联的形式，并在之间加入数控衰减器和π形衰减网络来加强隔离，避免级联增益过大引起的自激。自动增益控制采用6位控制形式的数控衰减器实现，其可提供 0～31.5 dB范围，步长为0.5 dB 的衰减，数控衰减码由系统通过通信接口传递给控制电路并由微控制器负责具体控制。此自动增益控制单元电路的放大-衰减-放大结构，既保证了较小的噪声系数又减小了输入过载输出饱和的几率，可以实现输出信号功率稳定在+6 dBm左右，满足后级ADC对输入信号的功率要求。

1.4 校正单元设计

深空探测系统雷达载荷是一个用于科学探测的仪器，雷达系统的稳定性对试验结果和科学探测性能影响较大，需要进行校正，其稳定性和误差分析可用于后续处理修正。

图6 自动增益控制单元电路

校正模式用于雷达系统进行探测之前，DDS根据协议控制指令，逐次产生点频信号，经过校正单元、耦合网络回到接收通道。在通道中完成数据采集，并送到信号处理模块。用理想通道对其它通道进行幅相相除得到校正系数，从而解算出用于幅相值修正的数据表，将其存储于信号处理分系统的DBF插件。除对模拟接收进行校正外，校正单元也可以对系统的模拟发射进行标定，通过一个输入二

选一开关选择发射耦合入信号，经过AGC定标处理后通过输出射频开关进行数字接收处理，校正单元电路如图7所示。

图7 校正单元电路

2 接收前端组装和测试

接收前端电路为双面布局设计，正面为通道部分，背面为校正和电源部分。考虑到微波电子设备的屏蔽和防干扰，各功能电路之间由隔板隔开，同时结构内部采用对称工整的结构形式，减少了机加过程残留应力给产品带来的外部形变。设计完成的接收前端组件外形如图8所示。

图8 接收前端组件外形图

对接收前端组件实物进行测试，技术指标如下:

接收前端电路噪声系数最低为2.345 dB，配合满量程2.2伏12位ADC灵敏度达-102 dBm。

项目测试值通道增益/dB通道噪声系数/dB瞬时动态/dB谐杂波抑制/dBc功耗/W51.99～53.772.345～3.3095045.985

3 结 语

本文分析了高灵敏度接收前端在深空探测领域信号通信中的重要性，给出了接收前端设计框图，对限幅滤波低噪放单元、通带选择单元、自动增益控制单元和校正单元的电路设计和实现方法进行了详细阐述。通过对噪声系数、增益、信号带宽等指标的分析与权衡，可满足系统的高灵敏度要求，同时自动增益控制的设计使得接收前端在宽频带内能够输出稳定，有利于后级ADC数字信号处理。结构上采用双面布局的高集成小型化设计，满足了星载产品体积重量限制。