小卫星通信系统射频前端设计

摘要：阐述了小卫星的发展背景、工作模式及技术上的优点，介绍了小卫星采用的射频前端系统结构。为了系统的合理设计，以满足星问通信的要求，对系统中低噪放电路、锁相环电路、自动增益控制电路的工作原理和重要指标进行了分析。采用ADS，ADIsimPLL软件仿真，得出适合要求的电路结构。最终制作出系统电路板并调试实现预期指标。
关键词：小卫星；射频前端；低噪放；锁相环；自动增益控制

0 引言
    在20世纪90年代小卫星概念提出以前，应用卫星技术主要靠单颗卫星来发挥作用，多种科研任务集中在一颗卫星上，甚至有些任务是相互冲突的，这不仅延长了研制周期，也增大了系统的风险。而利用小卫星编队组网运行，可以实现单颗卫星难以实现的功能，并且方便添加新的系统和技术，从而使那些需要较长研制周期的仪器可随时添加到虚拟卫星中去，另外小卫星具有单星测控能力，使系统测控可靠性进一步加强。在技术上，小卫星有功能模块集成化、功耗低、体积小和重量轻等优点。小卫星的这些优点吸引了各航天大国对其开展研究，我国也投入了大量人力物力开展了卫星编队的研制。本文针对某项目的具体要求，设计了适合小卫星通信系统的射频前端，仿真分析了其关键电路，并通过实物验证了方案设计的可行性，实验结果表明设计合理，实现了预期目标。

1 系统结构
    超外差结构是射频前端应用中最多的一种结构，其发射和接收方案都比较成熟。系统结构框图如图1所示。

    在接收电路中将从天线接收来的微弱信号放大，经过下变频得到中频信号，为了放大器的稳定和避免自激，在一个频带内的放大器其增益一般不超过50～60 dB，通过选择合适的中频频点和滤波器，可以实现很好的选择性和灵敏度。发射电路中将中频信号上变频得到射频信号，经过滤波和功率放大输出给天线发射出去。
    系统中发射电路和接收电路均采用二次变频。飞行过程中小卫星与主星之间距离的变化会引起接收电路输入端信号的功率变化，变化范围可达几十分贝，在接收电路中设置自动增益控制电路，使接收信号功率在一定范围内变化时输出信号功率变化很小。系统中重要组成部分有低噪放电路、锁相环电路、自动增益控制电路等。
    系统中接收电路的主要指标如下：
    (1)接收信号为2．3 GHz，功率为-120 dBm；输出信号为30 MHz，功率大于等于0 dBm。
    (2)噪声系数小于等于2，输出信号功率信噪比大于等于13 dB。
    (3)接收信号在-120～-90 dBm变化时，输出信号变化小于6 dBm。
    (4)相位噪声小于-80 dBc／Hz／10 kHz。

2 系统组成部分
2．1 低噪放电路
    低噪声放大器在接收电路中处于前端，接收来自天线的微弱信号，其性能的好坏直接影响着整机的性能，尤其是接收灵敏度和整机噪声的好坏。低噪声放大器的主要指标有噪声系数、功率增益、动态范围、稳定性。
    噪声系数定义为线性二端口网络中：

    式中：F1，F2，F3分别为前三级放大器的噪声系数；G1，G2，G3分别为前三级放大器的增益。
    由式(2)可知放大器级联时噪声系数主要由第一级决定，因此要求第一级放大器的噪声系数越小越好。为了抑制后级电路对系统噪声系数的影响，第一级放大器需要有较高的增益。
    该项目中采用的方案是三级低噪声放大器级联。第一级选用HMC618LP3，在25℃环境中2．3 GHz处增益为15 dB，噪声系数为1．05。第二级选用HMC548LP3，在25℃环境中2．3 GHz处增益为25 dB，噪声系数为1．5。第三级选用变增益放大器HMC287MS8，在25℃环境中Vctl=0时，2．3 GHz处增益为23 dB，Vctl=3 V时，增益为-11 dB。将放大器的S2P文件导入ADS软件中仿真，结果如图2所示。由图可知，最高增益为52．196 dB，最低增益为18．658 dB。三级放大器增益都很高，如果各级间匹配不好，很可能会导致放大器自激振荡，要从源头解决这个问题，只有修改各级的匹配网络，这往往难度很大，最有效的办法是在级间增加π型衰减网络。π型衰减网络可以有效抑制信号在放大器级间的反射，nf(2)是π型网络引入的噪声，在实际电路中可以更换π型网络电阻调节衰减量和噪声系数。

2．2 锁相环电路
    锁相环是由鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)及压控振荡器(VCO)所构成的反馈电路，其结构如图3所示。

    鉴相器比较参考信号u1(t)和压控振荡器输出信号u2(t)的相位，并输出相位误差电压ud(t)，经过环路滤波器滤除相位误差信号中的高频信号及部分噪声，剩下直流电压uc(t)，再将此直流电压送到压控振荡器来控制输出信号频率。当压控振荡器的输出信号频率与参考信号的频率不同时，这个过程将持续进行，在达到频率相等时，且满足一定条件环路就稳定下来，实现锁定。锁定之后被控的压控振荡器频率与输入信号频率相同，两者之间维持一定的稳态相位差。
    锁定时间和相位噪声是锁相环的重要指标。最佳锁定时间需要45°～48°的相位裕度，经验公式如下：
   
    式中：fjump=|f1-f2|为频率跳变量；f为初始频率；f2为终止频率；ftol为频率锁定误差容限；BW为环路带宽；LT为锁定时间。
    可见环路带宽越大，锁定时间越短，频率跳变越小，锁定时间越短。可以通过适当增大环路带宽和增大鉴相频率的方法缩短环路锁定时间。
    锁相环电路的噪声来源于参考信号噪声、电荷泵噪声、反馈分频噪声和压控振荡器噪声四部分。环路滤波器对环路参数调整起着决定性作用，关于环路滤波器的阶数，最基本的环路滤波器是两阶，如果想进一步降低参考杂散的幅度，可以在二阶环路滤波器之后再加一个RC低通网络，构成三阶无源环路滤波器。该项目中选用的频率合成器是ADF4360-1，用ADIsimPLL软件设计三阶无源滤波器，并对输出信号进行仿真，射频本振信号锁定时间和相位噪声如图4所示，锁定时间为22μs，2．27GHz处相位噪声为-88 dBc／Hz／10kHz。

2．3 自动增益控制电路
    自动增益控制电路主要由变增益放大器和检测控制电路两部分组成。传统的检测控制电路有两种实现方法，一是采用模拟方法检测信号的峰值，对峰值信号进行低通滤波、放大以后控制VGA的增益，这种模拟检测、模拟控制的方法实现起来比较简单。二是采用数字方法检测信号的峰值，对检测到的峰值进行一定的处理后产生数字控制量调整VGA的增益，这种方法需要A／D转换器。限于小卫星上提供电压和功率很低，空间很小，所以采用第一种方法。
    自动增益控制电路中一般将变增益放大器设置在中频段，该项目中考虑到系统的功耗，选用低功耗的变增益放大器HMC287MS8，将变增益放大器设置在射频段，结合检波器、运算放大器和滤波器实现自动增益控制，原理图如图5所示。

    检波器对检测信号的功率有下限要求，输入信号功率超过下限时检波器输出电压才能变化，因此信号检测点选择要合宜。该项目中选用的检波器是AD8361，AD8361对30 MHz信号检波，实际测试输出电压随输入信号功率变化如表1所示。结合变增益放大器的增益变化曲线，调整运算放大器的参考电压和运算方程可实现闭环系统增益的稳定控制。

3 实验验证
    经过设计制成小卫星射频前端电路板如图6所示，利用信号源86320B和频谱仪8563E进行测试，系统接收信号2．3 GHz，功率从-120 dBm起，输出中频信号功率信噪比不低于15 dB。接收信号在30 dBm范围内变化时，输出中频信号变化小于6 dBm，如表2所示。经过计算得出相位噪声为-82 dBc／Hz／10 kHz。

4 结语
    本文对射频前端中几个重要组成部分进行了分析和仿真，在此基础上设计了一种适合于编队飞行的小卫星通信系统射频前端结构。实验测试验证了该系统的合理性，该系统的功耗低、接收灵敏度高、体积小、重量轻，几项关键的预期指标已达到。回顾系统的设计和测试，其中有些指标和措施仍需要改进，如AGC的稳定范围不是很大，需要结合发射卫星的数控衰减器调节才能实现输出信号完全稳定，这需要综合更多的因素对系统整体方案进行更深地研究和改进。