李亚卓，安建平,马薇薇
北京理工大学 电子工程系
摘 要：转发器是通信卫星中的通信分系统，是通信卫星的核心。模拟转发器作为通信卫星转发器地面测试的专用设备，主要用于模拟该转发器的频率关系及电平关系。在介绍转发器的结构、特点的基础上，对转发器噪声系数、增益分配、电磁兼容等转发器设计中的关键问题进行分析，并给出某一采用一次变频体制方案的Ku波段模拟转发器的系统实现方法。最后得到系统测试结果，证明了设计的可行性和可靠性。
关键词：通信卫星；转发器；Ku波段；噪声系数；设计
一、引言
一般来讲，通信卫星主要由天线、通信、电源、跟踪遥测指令、控制5个分系统组成［１］，其中通信分系统即通常所说的转发器。转发器是通信卫星的核心，是通信卫星中起中继站作用的部分，其主要功能是接收、处理并重发信号。对转发器的基本要求是：以最小的附加噪声和失真，并以足够的工作频带和输出功率来为各地球站有效而可靠地转发无线电信号。
本文所分析和实现的Ku波段模拟转发器（上行频率14 GHz，下行频率12 GHz），是某在研通信卫星转发器地面测试的专用设备，主要用于模拟该转发器的频率关系及电平关系，指标要求精度高。作者旨在对现有转发器设计技术的基础上，针对本系统的特点，利用CAD技术对其噪声系数、增益分配、电磁兼容性等关键问题进行分析设计，并给出一种可实现方法，采用该方案实现的转发器具有系统噪声系数低、杂散抑制度高、抗干扰性强等特点。
二、转发器结构及特点
1.透明转发器和处理转发器
依据是否对转发信号进行处理，可将转发器分为透明转发器和处理转发器两大类［２］。透明转发器收到地面发来的信号，除进行低噪声放大、变频及功率放大外不作任何加工处理，只单纯完成转发任务，它对工作频带内的任何信号都是“透明”的通路，透明转发器也可称为弯管型转发器。处理转发器除了进行转发信号外，还具有信号处理功能。透明转发器的组成按其变频次数可分为一次变频和二次变频两种方案，其结构如图1所示。
处理转发器的组成如图2所示。与上述的二次变频透明转发器相似，只是在两级变频器之间，增加了信号的解调器、处理单元和调制器。先将信号解调，才便于进行信号处理，然后再经调制、变频、放大后发回地面。星上的信号处理主要包括：一是对数字信号进行解调再生，使噪声不会积累；另一类是在不同的卫星天线波束之间进行信号交换；再一类是进行其他更高级的信号变换和处理，如上行FDMA变为下行TDMA信号［２］。
2．特点
２种变频体制各有优缺点，一次变频体制直接进行频率转换，可以减少电路环节，降低转发器的体积和重量，但是在工作频率很高时，对元器件的要求很高，线路技术复杂，电路实现困难。一次变频方案适用于载波数量多、通信容量大的多址联接系统。二次变频体制降低了信号频率，线路容易实现，且增益较高，但是中频带宽窄，不适于多载波工作［２］，而且变频器的体积和重量比较大，由于卫星载荷有限，限制了转发器信道数目的增加,它适用于通信容量不大、所需带宽较窄的通信系统。
三、Ku波段模拟转发器设计
转发器的设计要根据实际卫星通信系统的设计指标要求而定，下文将对转发器设计中的几个关键问题如变频体制、系统接收性能和噪声系数、增益分配、杂散抑制、频率稳定度等进行分析。
1.变频体制选择
转发器的变频体制决定系统整体设计结构。C波段(上行频率6 GHz，下行频率4 GHz)的卫星转发器，由于频率较低，线路技术成熟，所以一般采用一次变频体制，而对于较高频段如Ka（上行频率30 GHz，下行频率20 GHz）波段，其工作频率很高，采用哪种变频体制方案需作认真选择。本文中所研制的Ku波段模拟转发器由于频率较低，线路技术较为成熟，故整体系统采用了一次变频体制。一次变频体制可使电路设计环节简化，同时降低了转发器的体积和重量。
所研制Ku波段模拟转发器为转发器地面测试系统的测试软件研制提供被测件，并作为地面测试时地面测试系统硬件和软件状态的验证通道。其设备连接图如图3所示。
2.转发器系统接收性能及噪声系数
载噪比是决定一条卫星通信线路传输质量的最主要指标。转发器中，如何使系统的噪声尽可能降低，使信噪比满足要求而又不显著增加成本和设备的复杂性，是设计卫星通信系统的主要问题之一。
系统中，热噪声源引入的噪声功率N=KBT，K是波尔兹曼常数，B是带宽，T称为“噪声温度”，对于电阻热噪声，噪声温度就是电阻的实际温度。将噪声温度的概念推广到热噪声以外的其他噪声源，这将带来许多方便，若一个噪声源的噪声功率为N，则噪声温度定义为：T=N/KB，此噪声温度不一定是噪声源实际温度，可称为等效噪声温度。
转发器的接收性能取决于接收机的噪声系数，接收机噪声系数越大，输出的噪声功率越大，从而降低了载噪比［３］。描述星载通信系统接收性能的参数是卫星接收品质因数G/T值，G/T值是接收天线增益G和接收有效噪声温度T之比，G/T值越高，天线和转发器组成的接收性能越好。接收有效噪声温度T由天线分系统的噪声温度和转发器接收机的噪声系数决定。
对于一个接收系统而言，它的总噪声系数为
可以看出，系统噪声系数的关键在于第一级网络的噪声系数ＮＦ１和增益Ｇ１。设计系统第一级采用低噪放大器（LNA），其性能目标是放大很低电平的宽带信号而不引入明显的噪声。实际中采用低噪声场效应管已明显地改善了低噪声放大器的设计性能，可以做到低的噪声系数，同时提供一定的增益从而保障系统要求。表1给出了经CAD优化设计的系统每一级的噪声系数、增益以及系统整体累积的噪声系数、增益。
3.接口电平及增益分配
由于从不同地球站来的信号电平是不同的，转发器输入电平变化范围高达20～30 dB，为保证功率放大器总是工作在理想状态，需要对功放输入电平进行调整。功放输入电平调节单元可由指令调节输入信号电平衰减量，输出电平稳定的信号供给隔离放大器。转发器通道接口电平和增益分配可参考表2。
数控衰减器是PIN管构成的吸收型步进衰减器，用于调整功放的输出电平，选择转发器的最佳工作点，其次可以补偿功放衰老的变化和用于转发器的测试［３］。衰减量30 dB、1 dB步进，衰减量由数字信号控制。小功率放大器按获得最大增益、满足幅度频率特性来进行优化设计。在设计和调试中要考虑它的输出能力，同时由于晶体管的增益随温度变化，应设置温度补偿单元。另外，由于末级功率放大器可能工作在非线性区域，管子的高频参数随着工作电平的变化而发生变化，能输出最大功率的最佳负载阻抗也随输入电平而变，能获得最佳交调的负载阻抗也发生变化，这就增加了功率放大器设计和调试的难度。
4.杂散抑制
输出组合频率干扰是输出杂散的主要来源。混频器的输出频率一般包括2个主要的边带频率(ＦＬＯ±ＦＲＦ（或ＦＲＦ±ＦＬＯ)、原先的输入ＦＬＯ和ＦＲＦ和全部高次互调频率mFＲＦ±nFＬＯ（m、n为整数）。系统除m=2、n=-9阶交调频率落在滤波器一倍频程通带内，主要干扰频率点落在12.1055～12.7255 GHz内，混频器对大于5阶的组合频率输出可抑制60 dB以上，其它干扰频率都落在滤波器阻带内，抑制度可达到70 dB。
5.频率稳定度和频率精度
模拟转发器系统频率稳定度及频率精度主要由本振源决定。以高稳定10 MHz恒温石英晶振做参考源，采取数字分频式锁相技术产生本振源，框图见图4。数字分频式锁相频率合成器体积小，技术成熟，并具有低相噪的优点［４］，保证了通信信号频率的稳定度并减小了噪声干扰。
6.幅频特性
系统的幅频特性主要由频道滤波器和放大器决定。系统中由于放大器频带远大于信号带宽，总的幅频特性主要由频道滤波器决定。由于三级滤波器处于功率放大之前，对插损的要求不严格，优先考虑的是幅度特性及带外抑制度。设计中采用带内纹波小于0.2 dB、带外抑制大于70 dB的腔体滤波器可以很好地保证系统要求。
7.电磁兼容性（EMC）设计
通信卫星转发器是多通道、多信号的收发共用系统，所有的部件都集中在卫星容积有限的载荷舱内。对所设计的工作在Ku波段的模拟转发器为单通道收发公用系统，所有转发部件均安装在一个整体机箱内部，从电磁兼容性的角度看，是一个设计难度较大的系统。故设计考虑到如下问题：
大功率发射机和高灵敏度接收机共存,并且共用一个射频通道，注意发射机远离接收机,收发通道的电源线要分开,有条件时选择收发分路方案［５］。设计振荡源电路，要注意抑制无用谐波信号，在二次变频体制中,收发共用同一本振可以减少杂波的来源。系统内电磁干扰多数属耦合途径传输,因此应尽量采用避免通道间使用共用电路。另外，由于系统用于地面测试，故可在保证系统功率增益条件下，针对使用频段利用轻便的微波吸收材料来减小微波辐射。
四、测试结果
转发器所有器件固定在机箱底板上，模块之间采取SMA硬连接。控制部分以单片机为核心，通过将外设映射到不同的地址分别控制液晶显示、键盘识别、数控衰减器控制电压设置、状态存储等功能。最后系统装箱、测试验收。测试数据见表3。
五、结束语
卫星转发器研制技术是涉及面很广、难度很大的综合性技术。本文通过对指标的系统性分析，并采用先进的CAD设计以及电子技术，针对转发器高指标要求将复杂系统整体化设计具体化，通信连路的设计同时满足系统的可靠性要求。我国通信卫星多采用C波段和Ku波段转发器，并正向更高的频段发展。未来的转发器将采用MMIC技术和先进的星上处理技术，向着更轻、更小、功能更强的方向发展。
参考文献
［１］吕海寰，等．卫星通信系统［M］．北京：人民邮电出版社，1996．
［２］刘旭东，等．卫星通信技术［M］．北京：国防工业出版社，2000．
［３］R E Ziemer，W H Tranter．Principles of Communications：systems modulation,and noise［M］．New York：Wiley，2002.
［４］T Bahl,et al.Microwave Solid State Circuit Design［M］.John Wiley & Sons, Inc., 1988.
［５］周仲林，杨建军．通信卫星Ka波段转发器技术的研究［J］．电讯技术，1997，37(2 )：43～55．
摘自 电讯技术
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