一种用于卫星数传平台的多通道接收机

王继财 朱臣伟 蔡静

【摘 要】本文简要介绍了星用数传平台用多通道接收机的设计方案，详细阐述了主要功能单元电路和

重要技术指标的设计考虑。该接收机达到的指标：接收信号动态范围-125dBm～-60dBm，AGC动态范

围大于65dB、接收机噪声系数小于0.8dB、全温范围相位偏差稳定性小于2°/10℃、通道间幅度一致

性小于0.2dB等。

【关键词】星用数传平台 多通道接收机 AGC 大动态接收范围 相位差一致性 幅度一致性

1 前言

近年来，我国的宇航事业蓬勃发展，人造卫星的需求进入高潮期。数传系统是卫星平台的核心部件，是星地系统信息传输的重要渠道，应用前景非常广泛。数传系统主要包括天线系统、发射机、大动态AGC接收机和信号处理机等主要功能部件。本文就多通道接收机设计的整体方案进行简要描述，对电路中的重要功能电路开展了详细的阐述。

2 方案和电路设计

数传系统采用了相控阵天线的方式，阵元数为9个，因此多通道接收机集成了9个功能相同的接收通道，共用跳频本振。接收机采用超外差式二级变频方式，将信号从L波段下变频到中频频段。即射频信号经过低噪声放大器LNA——一次下变频——滤波放大（含压控衰减器）——二次下变频——滤波放大后输出。中频输出耦合部分功率，经过检波放大后，控制接收链路中的压控衰减器实现AGC闭环功能。多通道接收机接收信号动态范围-125dBm～-50dBm，中频输出电平2dBm，AGC动态范围65dB。接收通道链路净增益实际设计值约130dB，高增益容易造成通道自激，因此设计时，需重点考虑不同单元之间的匹配和隔离措施。

接收机整体功能框图如图1所示。

图1 接收机功能原理框图

以下，就重要功能电路和技术指标设计实现做详细阐述。

2.1低噪声放大器设计

噪声系数是接收机灵敏度的决定因素，是表征一个接收系统优劣的核心指标。接收机噪声系数主要由射频输入端的低噪声放大器决定。本方案中，低噪声放大器采用两级EUDYNA公司的低噪声管FHC40LG来设计，介质板采用ROGERS公司的RO4350B板材，采用集总参数匹配的方法，选择合适的电路拓扑结构，用ADS软件优化设计，实现33dB增益和0.5dB的噪声系数。CAD仿真结果如下，低噪声放大器实物如图2所示。制作出的低噪声放大器在带内噪声系数NF≤0.48，增益≥33dB，与仿真结果十分吻合，很好地满足了组件整体指标的要求。

影响接收机的噪声系数的电路主要包括隔离器、低噪声放大器、混频器、滤波器和中频放大器等部分。根据系统噪声的计算公式：

后级电路的噪声贡献约为0.1dB左右，整个接收机的噪声系数将小于0.8dB。

2.2大动态压控衰减器设计

多通道接收机采用AGC闭环电路，实现接收机大动态接收功能。本方案采用吸收式开关的设计思路，采用I层厚度较大的PIN二极管分立器件，设计压控衰减器电路。二极管选用SKYWORKS公司的APD2220，电路原理图如图4。压控衰减器在Vt=0～2V电压范围内，衰减量达到60dB，且整个衰减动态内驻波系数小于1.5。

图4 大动态压控衰减器设计原理图

压控衰减器的衰减量、驻波系数与Vt电压之间的关系曲线如下图5所示：

图5 衰减量、驻波系数与Vt之间的关系曲线

2.3 AGC闭环电路设计

中频输出耦合部分功率，经过检波放大后，控制接收链路中的压控衰减器实现AGC闭环功能。检波器选用高灵敏度的零偏肖特基二极管，将射频信号转化成直流电压，经过RC滤波电路滤除杂波和射频泄露后，进入运放进行放大。放大后的直流电压控制一中频放大链路上的压控衰减器，使得接收通道的输出功率稳定在一个固定值，达到大动态接收范围内输出信号幅度稳定的目的。AGC闭环电路容易引入杂波、串扰等干扰信号，需要在环路上做好滤波工作。通过典型的一阶有源滤波器，可以有效的滤除低频的各种自激信号。

2.4 通道间相位一致性指标

多通道接收机是数传平台相控阵天线系统的核心部件，通道间的幅度一致性和相位一致性是通道阵元的关键指标。幅度一致性通过AGC闭环可以达到很高精度，相位一致性则需要综合多方面的因素来考虑。除了通道间电路设计基本一致外，接收链路中的相位非线性器件，如滤波器和压控衰减器需要重点设计考虑。总体对相位一致性的要求是：全温范围，输入信号动态范围-125dBm～-75dBm内，相位一致性变化率小于3°/10℃。

2.4.1 滤波器方案

本方案中，射频端镜像抑制滤波器选用介质滤波器方案，一中频和二中频滤波器选用LC滤波器方案。这两种形式的滤波器较声表滤波器而言，尺寸略大，但是带内的相位波动小，批次相位一致性指标优良，是本方案的首选。另外，这两种形式的滤波器全温范围内相对相位变化量很小，试验证明，介质滤波器全温范围内相位差一致性平均变化率0.3°/10℃，LC滤波器全温范围内相位差一致性平均变化率0.4°/10℃。

2.4.2压控衰减器方案

附加相移是衰减器的固有特性。压控衰减器的核心器件是PIN管，在不同的控制电压Vt下，其等效参数、如结电容、导通电阻是随之变化的，因此附加相移也是变化的。多通道接收机工作时，每个通道AGC的控制状态不是完全相同，各通道的压控衰减器也处在不同的衰减状态下，附加相移的差异对通道的整体相位一致性影响非常关键。

接收机方案设计时，截取压控衰减器动态范围中附加相位变化量较小、较平缓的一段来设计AGC闭环电路。由图6可见，Vt在0.6V～2V之间，压控衰减器最大衰减动态达35dB，附加相移绝对值≤4°。本方案用两级压控衰减器实现AGC动态指标，单级压控衰减器分配32.5dB的动态，这样可以保证所有衰减器附加相移的批次一致性（比如≤1°）。

图6 附加相移与Vt之间的关系曲线

3 测试结果

根据上述设计思路，完成了接收机样品的研制，经过测试，产品主要技术指标测试结果如表1所示。

4 结语

本文介绍了一种星用数传平台用多通道接收机的设计方案和细节。接收机采用经典的超外差式二级变频方式，实现射频信号到中频信号的下变频。采用AGC闭环电路设计，重点解决了动态范围大，接收灵敏度高、多通道相位一致性等技术问题。目前，该产品已成功应用与某卫星平台系统中，可以作为同类型产品的设计参考。

参考文献：

[1] 顾其诤，项家桢，袁孝康.微波集成电路设计.人民邮电出版社，1978.

[2] 清华大学<<微带电路>>编写组编.微带电路[M].北京：人民邮电出版社，1975：171.

[3] 弋稳.雷达接收机技术[M].电子工业出版社，2014.

[4] 林涛，林薇.模拟电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2010，11-1.

作者简介：

王继财：（1981—），男，青海乐都人，中国电子科技集团公司第五十五研究所工程师，从事微波电路设计与研究。朱臣伟：（1979—），男，天津人，中国电子科技集团公司第五十五研究所工程師，从事微波电路设计与研究。蔡静：（1977—），女，江苏无锡人，中国电子科技集团公司第五十五研究所工程师，从事微波电路设计与研究。