衛(wèi)星電視下變頻器(高頻頭)的工作原理

1　衛(wèi)星電視下變頻器(高頻頭)的作用
　　衛(wèi)星電視低噪聲下變頻器又稱為高頻頭(也稱衛(wèi)星電視的室外單元)，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　高頻頭的原理框圖

　　一般的衛(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的組件)，用LNB表示；(4)電纜線；(5)端子接頭；(6)衛(wèi)星接收機(jī)；(7)電視接收機(jī)。
　　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

　　由于衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中的地面天線接收到的衛(wèi)星下行微波信號(hào)經(jīng)過約40 000 km左右的遠(yuǎn)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0.5 dB，則低噪聲放大器輸入端載波功率為-90.5 dBmW。第一變頻器和帶通濾波器的損耗約為10 dB，第一中放的增益約為30 dB。這樣，若低噪聲放大器給出增益(40～50) dB，則下變頻器輸出端可以輸出(-30～-20) dBmW的信號(hào)。因此，衛(wèi)星電視下變頻器的作用是在保證原信號(hào)質(zhì)量參數(shù)的條件下，將接收到的衛(wèi)星下行頻率的信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大并變頻。

2　衛(wèi)星電視下變頻器的結(jié)構(gòu)

　　衛(wèi)星電視下變頻器中的低噪聲放大器一般是將波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器與低噪聲放大器合成一個(gè)部件。如果要達(dá)到噪聲溫度低和增益高，通常包含3～4級(jí)放大，前兩級(jí)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(jí)為高增益放大器，主要采用砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管GaAsFET。典型的LNA的噪聲溫度在C波段約為(20～40)°K。增益約為(40～50) dB，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)的電原理圖，設(shè)計(jì)時(shí)通常先給出必要的參數(shù)，如S參數(shù)、電路級(jí)數(shù)、匹配電路的方式、噪聲參數(shù)、輸出輸入阻抗等等，然后利用計(jì)算機(jī)CAD軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并作出微帶線電路圖。

圖3　低噪聲放大器的電原理圖

　　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的，其作用是將低噪聲放大器輸出的下行微波信號(hào)變?yōu)橹蓄l信號(hào)，變頻前后信號(hào)的帶寬保持不變。
　　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(shí)現(xiàn)振蕩器。介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)很高，通常在35～40之間，諧振時(shí)，由于介電常數(shù)高，電磁場(chǎng)大部分集中在介質(zhì)內(nèi)部，與金屬諧振腔類似。介質(zhì)諧振腔的優(yōu)點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性好，品質(zhì)因數(shù)Q值高，體積小，價(jià)格低，容易和微帶線耦合而制成MMIC。
　　圖4給出2種實(shí)際的介質(zhì)諧振器振蕩器電原理圖。

圖4　介質(zhì)振蕩器電原理圖

　　實(shí)際的介質(zhì)諧振器振蕩器中不僅需要考慮介質(zhì)諧振器的參數(shù)、位置及微帶線的參數(shù)，還要考慮場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出輸入的阻抗匹配的問題和直流偏置電路的設(shè)置。
　　第一混頻器由非線性元件、輸入信號(hào)與本振信號(hào)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(hào)與本振信號(hào)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的非線性區(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(hào)，可用濾波器選取所需的差頻信號(hào)，應(yīng)能達(dá)到混頻的目的。實(shí)際電路中，常采用二極管阻抗混頻器，它的結(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(dòng)態(tài)范圍大。雖然，這種混頻器沒有變頻增益，只有變頻損耗，但這種損耗容易加放大器予以補(bǔ)償。實(shí)際應(yīng)用中，還要考慮輸入信號(hào)與本振信號(hào)的隔離及對(duì)寄生頻率的抑制等，通常采用雙平衡混頻器，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(gè)特性相同的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(hào)通過變壓器耦合，將不平衡的輸入變換為平衡輸出加到二極管橋的兩對(duì)角線上，從而總的中頻電流等于四個(gè)二極管所產(chǎn)生的中頻電流的總和。
　　雙平衡混頻器具有主要特點(diǎn)如下：
　　(1)輸入信號(hào)與本振信號(hào)之間有高隔離度；
　　(2)工作頻帶寬；
　　(3)動(dòng)態(tài)范圍大，抗過載能力強(qiáng)；
　　(4)對(duì)寄生頻率有很好的抑制能力；
　　(5)能抑制本振引入的噪聲。
　　第一中放也稱前置中放，通常是直接和混頻器相接的，它的作用是把混頻器輸出的微弱中頻進(jìn)行放大、以補(bǔ)償混頻器、帶通濾波器以及室外、室內(nèi)單元間連接的高頻電纜所引起的衰減。第一中放通常直接采用集成電路塊。
　　由于二次變頻式的衛(wèi)星接收系統(tǒng)第一中頻通常選擇在1 GHz左右，這個(gè)頻率處于微波放大器和高頻放大器的交界處，因而電路結(jié)構(gòu)方式可以用分布參數(shù)、集中參數(shù)或二者的混合形式三種。
　　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)的電阻、電容和電感，參見圖7。

圖7　集中參數(shù)電路

　　由于中放是寬頻帶電路，所以不能使用調(diào)諧回路，元件為無引線型，電路尺寸緊湊。但由于R、C元件的離散性，往往難以得到嚴(yán)格符合設(shè)計(jì)要求的數(shù)值，所以單級(jí)增益低；但可以用增加級(jí)數(shù)的方法加以解決，一般由3～4級(jí)組成，增益約為20 dB。
　　分布參數(shù)的中放電路可以用微帶形式實(shí)現(xiàn)，參見圖8所示。可先測(cè)出晶體管的S參數(shù)，然后設(shè)計(jì)微帶匹配電路。分布參數(shù)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路一致性較好，容易達(dá)到單級(jí)最佳性能，所以放大器一般是2～3級(jí)。

圖8　分布參數(shù)電路

　　混合形式的電路是用一部分微帶線和部分集中參數(shù)元件組成的。當(dāng)?shù)谝患?jí)管子的S₁₁值適當(dāng)時(shí)，可用較短的傳輸線和分支微帶組成輸入電路，能獲得較低的噪聲。級(jí)間和輸出電路可采用微帶和集中參數(shù)元件的結(jié)合。它設(shè)計(jì)靈活，兼有分布和集中參數(shù)電路的優(yōu)點(diǎn)。
　　室外單元的直流供電由連接室外單元的75 Ω高電纜芯線提供。室內(nèi)單元的直流電源通過高頻扼流圈傳送給室外單元，它對(duì)(3.7～4.2) GHz的微波信號(hào)和第一中頻信號(hào)均無影響。通常16 V～24 V的電壓，一路送去LNA，另一路送到室外單元的穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓后供室外單元其他各級(jí)使用。

3　衛(wèi)星電視下變頻器的主要技術(shù)要求

　　由于衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)中天線接收到的衛(wèi)星下行微波信號(hào)非常微弱，為保證信號(hào)的質(zhì)量，將接收到的衛(wèi)星下行頻率信號(hào)進(jìn)行放大并變頻，C頻段衛(wèi)星電視下變頻器應(yīng)該滿足的主要技術(shù)要求如下：
　　(1)振幅—頻率特性好。振幅—頻率特性是指輸入電平恒定下，輸入信號(hào)頻率變化時(shí)輸出端電平變化的特性，主要包括通頻帶、功率增益、增益波動(dòng)及增益斜率