射电天文接收机四通道均衡放大模块研制

宁云炜，闫 浩*，曹 亮，马 军，李笑飞，刘 烽，陈 勇

(1. 中国科学院新疆天文台，新疆 乌鲁木齐 830011；2. 中国科学院射电天文重点实验室，江苏 南京 210033；3. 新疆微波技术重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011)

中国科学院新疆天文台南山25 m射电望远镜建成于1993年，2016年望远镜进行了升级改造，改造后天线口径为26 m，主要工作在L，S，C和K波段。接收机位于26 m射电望远镜双反射面天线副反射面后的馈源仓，从馈源接收的高频信号通过接收机的下变频器转换为中频信号，中频信号通过同轴电缆从馈源仓连接到监控室。因为同轴电缆距离较长，导致中频信号线损较大，且不同频段的中频信号经过馈线时，线损不同，中频信号的输出功率在每个频点不一样。为了弥补同轴电缆的损耗，维持中频信号的增益平坦性，中频信号需要等功率分成4路输出，其中3路信号分别进入脉冲星消色散终端、甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)系统终端和连续谱观测终端，另外一路进入中频监视模块，如图1。因此，四通道均衡放大模块要提供经过均衡后的输出功率曲线。

图1 中频系统框图

2018年，南山26 m射电望远镜更换了新的中频电缆，更换的电缆规格为安德鲁LDF4-50A 2 × 54 m和迈可博H08 2 × 30 m，在100～600 MHz频段，新电缆的插损是原电缆的一半。为了对新电缆传输的中频信号功率进行均衡放大，我们需要研制新的均衡放大模块，以满足射电天文接收机中频系统的需求。

1 总体方案设计

南山26 m射电望远镜各频段中频信号经过同轴电缆后的线损如图2。从系统整体规划的角度出发，我们首先考虑如何实现系统整体性能的最优化，再根据单元组件的具体指标需求，结合单元组件选择最优的设计方案。

1.1 均衡放大模块链路设计

四通道均衡放大模块首先要实现中频信号的功率均衡和放大，由图2可知，在L，S，C和K 4个频段的中频信号中，K频段右旋极化信号功率的斜率最大，最高功率和最低功率的插值为9 dBm；S频段左旋极化信号功率的斜率最小，插值为3 dBm。如果把均衡电路置于功率放大器之后[1]，放大器的功率放大效能会进一步增加各频段的斜率[2]，导致均衡器的设计难度增加[3]，因此把均衡器置于功率放大器之前。实现四通道输出，在功率放大器后需要加一个一分四功率分配器。整个链路如图3。

图2 南山26 m射电天文接收机各频段中频信号线损

图3 四通道均衡放大模块链路框图

1.2 链路的功率平坦度

均衡放大模块最核心的功能是对中频信号经过线损的功率平坦度进行补偿。均衡放大模块中的功率放大器和功率分配器本身的特性也会对功率平坦度产生影响，这是均衡电路对中频信号的功率平坦度进行补偿时必须考虑的问题[4]。设计采用的功率放大器为Minicircuit公司的GVA-60+，工作频率为10～5 000 MHz，在整个频带内具有较好的增益平坦度。但是由于放大器本身的米勒效应，放大器在中频100～600 MHz内的增益平坦度不一致，并和线损的增益平坦度呈现相同的趋势，低频增益大，高频增益小。功率放大器的增益如图4。功率分配器采用Minicircuit公司的JS4PS-1W+，工作频率为5～1 000 MHz。功率分配器1路通道输入，4路通道输出，4个通道的插入损耗如图5。

图4 功率放大器增益

图5 功率分配器插入损耗

2 均衡器设计

均衡器是四通道均衡放大模块最核心的器件。射频均衡器按是否需要供电可以分为有源[5]和无源均衡器，一般工程上多采用无源均衡器。

常用的无源均衡器从结构上可以分为波导型、同轴型和微带型[6-9]，表1比较了3种类型均衡器的特性。本设计首先排除了同轴和波导均衡器，这两种均衡器体积大、质量大且不易集成。微带均衡器成本低且易于集成，非常适合微波频段的均衡器设计。本设计的均衡器要求工作在100～600 MHz频段，由于微带均衡器的微带线长度和频率成正比，按照此频段设计的微带均衡器面积过大，导致加工成本大幅提高且不易集成。最后综合考虑，设计采用集总元件和微带线结合的均衡器电路[10]。集总元件包括村田公司贴片电容、电感和电阻，微带线除了连接集总元件外，还通过调节微带线的长度和宽度来调节均衡器的阻抗匹配。这种集总元件和微带线结合的方式极大地减小了电路面积，从而降低加工成本，且易于集成。

表1 无源均衡器比较

2.1 均衡器设计的理论分析

均衡器不像其他的无源器件如功分器、耦合器和滤波器等设计理论成熟。均衡器目前的理论设计有原型电路归纳法、实频法[11]和达林顿网络综合法，这3种理论设计方法在指导实际设计的工程问题时，都有一定的局限性。

计算机优化设计方法从具有均衡特性的电路拓扑结构出发，是一种基于计算机仿真的设计方法，在建立电路模型的基础上，通过计算机优化仿真来逼近要求达到的均衡量。

计算机优化设计法的主要步骤是首先根据指标要求选出合适的电路拓扑结构，然后合理选择初值和扫参优化类型。很多仿真软件都可以用于均衡器的设计，如HFSS，CST和ADS等等。ADS软件仿真板级电路具有速度快、容易建模的优点，本设计采用ADS仿真软件进行四通道均衡放大模块的设计。计算机优化设计法最重要的是确定初始电路的拓扑结构，初始电路结构直接决定仿真时间和最后的结果。计算机优化仿真设计流程如图6。

图6 计算机优化设计流程

2.2 均衡器仿真设计

通过对各种集总元件均衡器电路结构的尝试，最后确定均衡器的拓扑结构如图7。均衡器的均衡效应主要由集总元件完成，集总元件间用微带线连接。除了连接作用，通过优化微带线的长度和宽度，可以更好地和功率放大器匹配，以改善驻波。均衡器电路仿真完成后，将功率放大器和功分器的S参数生成snp文件，和均衡器一起进行整个链路的仿真。ADS的原理图仿真没有考虑实际微带电路的寄生和耦合效应，为了仿真结果和实际电路更接近，我们需要把原理图生成版图，并且把理想的电容、电感模型替换为实际电容、电感模型。通过计算机优化，最后四通道均衡放大模块的回波损耗仿真结果如图8，均衡器仿真结果如图9。

图7 均衡器电路拓扑结构

图8 四通道均衡放大模块回波损耗仿真结果

图9 四通道均衡放大模块均衡器仿真结果

3 四通道均衡放大模块加工调试测试

版图仿真全部完成后，去掉集总元件及功率放大器和功分器模型，把微带线版图导入AutoCAD，在AutoCAD中添加功率放大器直流偏置外围电路，并在版图适当的地方加入大面积通孔铺地，以减少信号之间的串扰。电路板加工采用Rogers公司的基板。四通道均衡放大模块的电路板加工实物如图10。把集总元件、功率放大器及功分器焊接到电路板，并把电路板放入加工好的腔体。

图10 四通道均衡放大模块电路版图

最后，四通道均衡放大模块输入端口和中频同轴电缆连接，其他输出端口连接匹配负载，频谱仪和OUTPUT1端口连接进行测试，如图11。测试结果和仿真结果会有误差，可以通过微调均衡器集总电容、电感和电阻及功率放大器的直流偏置来对整个均衡放大模块的均衡量进行调整，以达到最佳值。图12为频谱分析仪测试中频信号经过四通道均衡放大模块其中一个通道的功率。和图1比较，各频段中频信号的功率平坦度都得到明显改善。剩余3个通道的功率和图12的功率相似，有±0.2 dBm的波动，端口隔离度优于-40 dB。

图11 四通道均衡放大模块完整实物

图12 中频信号经过均衡放大模块的功率

4 总 结

本文使用ADS仿真软件，采用计算机优化设计法设计了射电天文接收机的中频信号四通道均衡放大模块。为了减少电路板面积，降低成本，本文采用集总元件和微带线相结合的方式。该均衡放大模块兼顾了射电天文接收机L，S，C和K频段及左旋和右旋共8种信号通过下变频后的中频信号，对中频信号的线损进行功率均衡，改善中频信号的功率平坦度。测试结果表明，8种中频信号的功率平坦度都得到了明显改善，达到了射电天文接收机中频监测系统的指标要求。