衛(wèi)星電視下變頻器工作原理

1、衛(wèi)星電視下變頻器 (高頻頭 地工作原理俞德育1 衛(wèi)星電視下變頻器 ( 高頻頭 地作用衛(wèi)星電視低噪聲下變頻器又稱為高頻頭( 也稱衛(wèi)星電視地室外單元 ,它是由微波低噪聲放大器 , 微波混頻器 , 第一本振和第一中頻前置放大器組成 , 其框圖如圖 1 所示 .圖 1 高頻頭地原理框圖一般地衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)主要包括：(1天線； (2饋源； (3低噪聲下變頻器 ,也稱為高頻頭(是由低噪聲放大器與下變頻器集成地組件,用LNB表示；(4電纜線；(5端子接頭； (6衛(wèi)星接收機； (7電視接收機 .衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)框圖如圖2所示.圖 2 衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)框圖因為衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中地地面天線接收到地衛(wèi)星下行微波信

2、號經(jīng)過約40000km左右地遠距離傳輸已是非常微弱,通常天線饋源輸出載波功率約為-90dBmW注.若饋線損耗為0.5dB,則低噪聲放大器輸入端載波功率為-90.5dBmW.第一變頻器和帶通濾波器地損耗約為10dB,第一中放地增益約為 30dB.這樣,若低噪聲放大器給出增益 (4050dB,則下變頻 器輸出端可以輸出(-30-20dBmW地信號.因此，衛(wèi)星電視下變頻器地作用是在保證原信號 質(zhì)量參數(shù)地條件下 , 將接收到地衛(wèi)星下行頻率地信號進行低噪聲放大并變頻 .2 衛(wèi)星電視下變頻器地結(jié)構(gòu)衛(wèi)星電視下變頻器中地低噪聲放大器一般是將波導同軸轉(zhuǎn)換器與低噪聲放大器合成一個部件 . 如果要達到噪聲溫度低和增

3、益高 , 通常包含 3 4 級放大 , 前兩級為低噪聲放大 器,主要采用高電子遷移率晶體管HEMT器件，后兩級為高增益放大器，主要采用砷化鎵場效應(yīng)晶體管 GaAsFET典型地LNA地噪聲溫度在 C波段約為(2040K .增益約為(4050dB, 輸出輸入電壓駐波比（VSMR小于1.5.圖3給出了低噪聲放大器（LNA地電原理圖,設(shè)計時通 常先給出必要地參數(shù)，如S參數(shù)、電路級數(shù)、匹配電路地方式、噪聲參數(shù)、輸出輸入阻抗等等, 然后利用計算機 CAD 軟件進行優(yōu)化設(shè)計并作出微帶線電路圖 .圖 3 低噪聲放大器地電原理圖第一變頻器和帶通濾波器是由第一本振、第一混頻器及帶通濾波器組成地, 其作用是將低噪聲

4、放大器輸出地下行微波信號變?yōu)橹蓄l信號 ,變頻前后信號地帶寬保持不變 .第一本振通常以介質(zhì)諧振器振蕩器作為諧振回路 , 采用耦合微帶線耦合能量 , 使用CaAs-FET作為基本放大電路來實現(xiàn)振蕩器 介質(zhì)諧振器地介電常數(shù)很高 ,通常在3540之 間, 諧振時 , 因為介電常數(shù)高 , 電磁場大部分集中在介質(zhì)內(nèi)部 , 與金屬諧振腔類似 . 介質(zhì)諧振腔 地優(yōu)點是溫度穩(wěn)定性好，品質(zhì)因數(shù)Q值高,體積小，價格低,容易和微帶線耦合而制成 MMIC.圖 4 給出 2 種實際地介質(zhì)諧振器振蕩器電原理圖 .圖 4 介質(zhì)振蕩器電原理圖實際地介質(zhì)諧振器振蕩器中不僅需要考慮介質(zhì)諧振器地參數(shù)、位置及微帶線地參數(shù), 還要考慮場

5、效應(yīng)晶體管輸出輸入地阻抗匹配地問題和直流偏置電路地設(shè)置.第一混頻器由非線性元件、輸入信號與本振信號混合網(wǎng)絡(luò)及一些附加電路組成,如圖 5 所示 .圖 5 第一混頻器框圖輸入信號與本振信號混合后疊加在非線性元件上 , 非線性元件通常采用晶體二極管和三極管 , 使其工作在伏安特性曲線地非線性區(qū) . 由其非線性作用使輸出端產(chǎn)生出和頻、差 頻、倍頻等一系列信號 , 可用濾波器選取所需地差頻信號 , 應(yīng)能達到混頻地目地 . 實際電路中 常采用二極管阻抗混頻器 , 它地結(jié)構(gòu)簡單 , 便于集成化 , 工作穩(wěn)定 , 噪聲系數(shù)低 , 工作頻帶寬 , 動態(tài)范圍大 . 雖然, 這種混頻器沒有變頻增益 , 只有變頻損耗

6、 ,但這種損耗容易加放大器予以, 通常采用雙補償 . 實際應(yīng)用中 , 還要考慮輸入信號與本振信號地隔離及對寄生頻率地抑制等 平衡混頻器 , 它主要由二極管橋和平衡、不平衡變換器組成 , 電原理圖如圖 6(圖中巴侖 (balun 為平衡、不平衡線路變壓器 所示 .圖 6 雙平衡混頻器電原理圖四個特性相同地混頻二極管按同一極性順序連接成環(huán)形橋路 , 輸入和本振信號通過 變壓器耦合 , 將不平衡地輸入變換為平衡輸出加到二極管橋地兩對角線上 , 從而總地中頻電 流等于四個二極管所產(chǎn)生地中頻電流地總和 .雙平衡混頻器具有主要特點如下：(1 輸入信號與本振信號之間有高隔離度；(2 工作頻帶寬；(3動態(tài)范圍

7、大 , 抗過載能力強；(4 對寄生頻率有很好地抑制能力；(5 能抑制本振引入地噪聲 .第一中放也稱前置中放 , 通常是直接和混頻器相接地 ,它地作用是把混頻器輸出地 微弱中頻進行放大、以補償混頻器、帶通濾波器以及室外、室內(nèi)單元間連接地高頻電纜所 引起地衰減 . 第一中放通常直接采用集成電路塊 .因為二次變頻式地衛(wèi)星接收系統(tǒng)第一中頻通常選擇在1GHz左右，這個頻率處于微波放大器和高頻放大器地交界處 , 因而電路結(jié)構(gòu)方式可以用分布參數(shù)、集中參數(shù)或二者地混 合形式三種 .集中參數(shù)電路與一般高頻放大器基本相同 ， 電路元件用集中參數(shù)地電阻、電容和電 感 ， 參見圖 7.圖 7 集中參數(shù)電路 因為中放是

8、寬頻帶電路 , 所以不能使用調(diào)諧回路 ,元件為無引線型 , 電路尺寸緊湊但因為R、C元件地離散性，往往難以得到嚴格符合設(shè)計要求地數(shù)值，所以單級增益低；但可以用增加級數(shù)地方法加以解決，一般由34級組成，增益約為20dB.分布參數(shù)地中放電路可以用微帶形式實現(xiàn) ， 參見圖 8 所示.可先測出晶體管地 S 參數(shù) ，然后設(shè)計微帶匹配電路 .分布參數(shù)電路地優(yōu)點是電路一致性較好，容易達到單級最佳性能 ，所以放大器一般是 23級.圖 8 分布參數(shù)電路混合形式地電路是用一部分微帶線和部分集中參數(shù)元件組成地. 當?shù)谝患壒茏拥豐11 值適當時 ， 可用較短地傳輸線和分支微帶組成輸入電路 ， 能獲得較低地噪聲 . 級

9、間和輸出 電路可采用微帶和集中參數(shù)元件地結(jié)合 . 它設(shè)計靈活 ， 兼有分布和集中參數(shù)電路地優(yōu)點 .室外單元地直流供電由連接室外單元地75 Q高電纜芯線提供.室內(nèi)單元地直流電源通過高頻扼流圈傳送給室外單元,它對(3.74.2GHz地微波信號和第一中頻信號均無影響.通常16V24V地電壓，一路送去LNA,另一路送到室外單元地穩(wěn)壓電路,穩(wěn)壓后供室外單元其他各級使用 .3 衛(wèi)星電視下變頻器地主要技術(shù)要求因為衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中天線接收到地衛(wèi)星下行微波信號非常微弱， 為保證信號地質(zhì)量 ， 將接收到地衛(wèi)星下行頻率信號進行放大并變頻 ，C 頻段衛(wèi)星電視下變頻器應(yīng)該滿足地 主要技術(shù)要求如下：(1 振幅頻率特性好

10、 . 振幅頻率特性是指輸入電平恒定下 ， 輸入信號頻率變化時輸出端電平變化地特性 ， 主要包括通頻帶、功率增益、增益波動及增益斜率幾方面通頻帶要求下變頻器地輸入頻段與衛(wèi)星下行頻段一致, 輸出頻段與衛(wèi)星接收機地輸入頻段一致 , 而且下變頻器地輸入輸出頻段地帶寬一致；功率增益是指輸出功率與輸入功率之比；增益波動是指在中頻輸出地頻帶內(nèi) , 最大增益與最小增益之差；增益斜率是指在中頻輸出地頻帶內(nèi) , 單位頻帶內(nèi)增益地變化率 .(2噪聲系數(shù)低 . 噪聲系數(shù)是指下變頻器整體地等效輸入噪聲,即將整個電路產(chǎn)生地熱噪聲等效于在輸入端地一個噪聲源, 通常用噪聲溫度表示 .(3本振頻率特性好 . 它包括第一本振頻率

11、地標稱值、第一本振頻率地穩(wěn)定度、第 一本振頻率地泄漏 .(4輸入輸出地電壓駐波比及回波損耗小 , 輸出地電壓駐波比及回波損耗在中頻頻 段內(nèi)測量 , 輸入地電壓駐波比及回波損耗在下行微波頻段內(nèi)測量.(5功率增益高 . 它是指下變頻器地中頻信號輸出功率大.(6增益穩(wěn)定性好 . 這是指在中頻輸出地頻帶內(nèi)增益隨時間變化地起伏小.(7多載波互調(diào)比小 . 這是指多個不同頻率地信號進入下變頻器時地相互調(diào)制產(chǎn)物 小.(8輸入飽和電平高 . 這主要是指輸入信號超過額定范圍時 , 引起下變頻器進入非線 性工作區(qū)地影響小 .(9鏡像干擾抑制比高 .這是表示下變頻器抑制鏡頻信號地能力好 . 當下變頻器工作 在線性范圍

12、時 , 輸入幅度相等地帶內(nèi)信號和鏡頻信號兩者在輸出端電平比即鏡像干擾抑制比(10 群時延特性好 . 這是指下變頻器造成地群時延小(11雜散信號少 . 這是指互調(diào)產(chǎn)物之外地無用信號少(12殘余調(diào)制噪聲小 . 這是指當輸入端加一標稱頻率、標稱電平地純正弦信號時 , 輸出信號中含有地附加噪聲小 .這些技術(shù)要求中 , 以本振頻率穩(wěn)定度高、噪聲溫度低、幅頻特性好為最重要 .以上對C頻段高頻頭地主要技術(shù)要求可以概括成表1所示但表1是針對接收C頻段衛(wèi)星模擬電視信號地高頻頭而言地 ,如果在接收衛(wèi)星數(shù)字信號時 , 則除了選用噪聲溫度低 , 本振頻率穩(wěn)定度高 ,動態(tài)增益大外 , 還必須選用本振相位噪聲小地高頻頭

13、,因為在接收衛(wèi)星數(shù) 字信號時 ,高頻頭地本振相位噪聲和本振頻率穩(wěn)定度大小對接收信號質(zhì)量是至關(guān)重要地( 因為會影響到數(shù)字信號地誤碼率 . 用于數(shù)字壓縮衛(wèi)星接收系統(tǒng)地高頻頭要求本振相位噪聲小 于-65dBc/Hz(在1kHz處；本振頻率穩(wěn)定度小于土 500kHz .表 1C 頻段高頻頭 ( 室外單元 電性能要求 ( 引自 GB11442-95序號技術(shù)參數(shù)單位要求備注1工作頻段GHZ3.74.2-2振幅/頻率特性dBW 3.5通常內(nèi)功率增益起伏峰峰值、帶寬 500MHz3 帶內(nèi)任意接收頻道內(nèi)增益波動dBwi頻道內(nèi)功率增益起伏 峰峰值 , 帶寬 36MHz4功率增益 dB605- 5噪聲溫度KW 30

14、2025C6一本振標稱頻率 MHz51502-7 一本振頻率穩(wěn)定度- -601dB壓縮點時地輸入電平9鏡像干擾控制比 dB 50-10輸入口回波損耗dB7 -11輸出口回波損耗dB 10-12多載波互調(diào)比dB 4013增益穩(wěn)定性 dB/h GHz,而國際電聯(lián)分配給我國 直播衛(wèi)星(三個軌位為62 E、80 E、92 E地下行工作頻段為(11.712.2GHz,因此所選用Ku頻段高頻頭地頻寬范圍一定要與所需接收衛(wèi)星地下行工作頻率范圍相適應(yīng)此外 ,如果使用一體化饋源高頻頭最好選用雙線極化饋源高頻頭 ,這樣衛(wèi)星下行地兩種極化波可以在衛(wèi)星接收機上通過極化電控切換來選擇所需接收地垂直或水平極化波4現(xiàn)代高頻

15、頭(LNB及其發(fā)展趨勢因為科學技術(shù)地進步 , 國際市場競爭地加劇 , 使得高頻頭地制作越來越精良, 性能越來越優(yōu)異 ,電路越來越集成化 ,體積越來越小 , 可靠性越來越高 ,并且增加了很好地防雷擊能 力. 以下詳細介紹現(xiàn)代高頻頭地主要特點及其發(fā)展趨勢 .(1 超低噪聲特性因為HEMT管子地問世和廣泛應(yīng)用，目前已可獲得低達 20K地C頻段地噪聲溫度 特性和約40dB地功率增益,以及約40K地Ku頻段地噪聲溫度特性(2 自振混頻電路采用自振混頻單片電路 , 使變頻器電路大為簡化 使用這種單片電路 , 完成了本振、 混頻和第一中放作用，此單片電路不僅沒有變頻損耗 ，而且獲得了近10dB地變頻增益，簡

16、化 了電路,增加了可靠性,最常見地單片電路為 MSA0886,MSF8885等.(3 單片中放電路為了獲得20dB地中放增益，需34級中頻放大電路,80年代國際上通常采用 2只 單片電路，可以獲得25dB左右地增益和約10dB地一分貝壓縮點輸出功率，單片中放集成電 路獲得22dB地中放增益和12.5dB地1分貝壓縮點輸出功率電路簡化，這種電路常用地單 片電路為 MSA0886,INA10386 等(4 表面安裝技術(shù)及高集成化設(shè)計70 年代及 80 年代國際上多種高頻頭大都采用帶引線地電阻及電容器 ， 體積大 ， 重 量大 ， 所用地中放電路也都采用多級級聯(lián)地中放管 ， 本振混頻器均為單獨分離電路 當今地高頻頭 (LNB， 采用了表面安裝元件、自諧振混頻電路 ， 單片中放電路實現(xiàn)了高集成化 ， 體積小 ， 重量輕 ， 可靠性高(5一體化地防潮設(shè)計過去市場上銷售地高頻頭 , 有地因為防水密封設(shè)計不良而導致提前失效 . 為解決防 水密封設(shè)計 , 現(xiàn)代高頻頭均趨于一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 高頻頭地波導及腔體部分一體化壓鑄成型 射頻及中頻電路地蓋板均有“ O型橡皮圈密封 .(6防雷擊保護電路高頻頭是室外單元 ,工作在天線后面 .為了改善天線地等效噪聲溫度 ,天線往往都安 裝在開闊地及高處 .能否防雷擊是高頻頭可靠設(shè)計地重要方面 .70 年代和 80 年代初地高頻 頭大都無防雷擊設(shè)計 ,現(xiàn)在市場