發(fā)布時(shí)間：2021-10-20所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：射電天文接收機(jī)中頻系統(tǒng)是接收機(jī)的重要組成部分，接收機(jī)的L、S、C、K波段的左圓極化和右圓極化信號(hào)在高頻倉通過下變頻成為中頻信號(hào)。中頻信號(hào)通過同軸電纜傳送到觀測室。觀測室距離射電望遠(yuǎn)鏡高頻倉較遠(yuǎn)，因此線損較大，且不同頻率的信號(hào)損耗不同，頻
摘要：射電天文接收機(jī)中頻系統(tǒng)是接收機(jī)的重要組成部分，接收機(jī)的L、S、C、K波段的左圓極化和右圓極化信號(hào)在高頻倉通過下變頻成為中頻信號(hào)。中頻信號(hào)通過同軸電纜傳送到觀測室。觀測室距離射電望遠(yuǎn)鏡高頻倉較遠(yuǎn)，因此線損較大，且不同頻率的信號(hào)損耗不同，頻率越高損耗越大，導(dǎo)致中頻信號(hào)功率較小且增益平坦度隨頻率增加而降低。設(shè)計(jì)了四通道均衡放大模塊，提高中頻信號(hào)增益并補(bǔ)償增益平坦度。該模塊的均衡器采用了集總元件和微帶線相結(jié)合的方式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成、成本低的優(yōu)點(diǎn)。測試結(jié)果表明，在6倍頻帶寬內(nèi)，均衡量≥8dB，均衡后功率平坦度≤3.5dBm，回波損耗≤-15dB，滿足了射電天文中頻檢測系統(tǒng)的要求。
關(guān)鍵詞：均衡器;放大模塊;接收機(jī);射電天文;阻抗匹配
0引言
新疆天文臺(tái)南山25米射電望遠(yuǎn)鏡建成于1993年，2016年對(duì)25米射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了整體改造升級(jí)，改造后天線口徑為26米。改造后的26米射電望遠(yuǎn)鏡主要工作在L、S、C、K頻段。射電天文接收機(jī)位于26米雙反射面天線的副反射面后的饋源倉，從饋源接收到的高頻信號(hào)通過接收機(jī)的下變頻器變?yōu)橹蓄l信號(hào)。中頻信號(hào)通過同軸電纜從饋源倉連接到監(jiān)控室。因?yàn)橥S電纜距離較長，導(dǎo)致中頻信號(hào)線損較大，且不同頻段的中頻信號(hào)經(jīng)過饋線時(shí)，線損不同，導(dǎo)致中頻信號(hào)在輸出功率在每個(gè)頻點(diǎn)不一樣。為了彌補(bǔ)同軸電纜的損耗和維持中頻信號(hào)的增益平坦性，且中頻信號(hào)需要等功率分成四路輸出，其中三路信號(hào)分別進(jìn)入脈沖星消色散終端、VLBI系統(tǒng)終端和連續(xù)譜觀測終端，另外一路急如中頻監(jiān)視模塊，如圖1所示。因此需要四通道均衡放大模塊提供經(jīng)過均衡后的輸出功率曲線。
2018年，南山25米射電望遠(yuǎn)鏡更換了新的中頻電纜，更換的電纜規(guī)格為安德魯LDF4-50A2×54米和邁可博H082×30米，在100MHz-600MHz頻段，新中頻電纜的插損是原電纜的一半。為了對(duì)新電纜傳輸?shù)闹蓄l信號(hào)的功率進(jìn)行均衡放大，需要研制新的均衡放大模塊，以滿足射電天文接收機(jī)中頻系統(tǒng)的要求。
1總體方案設(shè)計(jì)
南山26米射電望遠(yuǎn)鏡各頻段中頻信號(hào)經(jīng)過同軸電纜后的線損如圖2所示，從系統(tǒng)整體規(guī)劃的角度出發(fā)，首先考慮如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體性能的最優(yōu)化，再根據(jù)單元組件的具體指標(biāo)需求，結(jié)合單元組件選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
1.1均衡放大模塊鏈路設(shè)計(jì)
四通道均衡放大模塊首先要實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的功率均衡和放大，由圖2可知，在L、S、C、K四個(gè)頻段的中頻信號(hào)中，K頻段右旋極化的功率信號(hào)斜率最大，最高功率和最低功率的插值為9dBm。S頻段左旋極化的信號(hào)功率斜率最小，插值為3dBm。如果把均衡電路置于功率放大器之后[1]，放大器的功率放大效能會(huì)進(jìn)一步增加各頻段的斜率[2]，導(dǎo)致均衡器的設(shè)計(jì)難度增加[3]，因此把均衡器置于功率放大器之前。要實(shí)現(xiàn)四通道輸出，需要在功率放大器后再加一個(gè)1分4功率分配器，整個(gè)鏈路如圖3所示。
1.2鏈路本身的功率平坦度
均衡放大模塊最核心的功能是對(duì)中頻信號(hào)經(jīng)過線損的功率平坦度進(jìn)行補(bǔ)償，均衡放大模塊里的功率放大器和功率分配器兩個(gè)器件本身特性也會(huì)對(duì)功率平坦度產(chǎn)生影響，這在考慮用均衡電路對(duì)中頻信號(hào)的功率平坦度進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，必須考慮進(jìn)去[4]。本設(shè)計(jì)采用的功率放大器為Minicircuit公司的GVA-60+，工作頻率為10MHz-5000MHz，在整個(gè)頻帶內(nèi)具有較好的增益平坦度。但是由于放大器本身的米勒效應(yīng)，導(dǎo)致放大器在中頻100MHz-600MHz內(nèi)的增益平坦度還是不一致，并和線損的增益平坦度呈現(xiàn)相同的趨勢，低頻增益大，高頻增益小。功率放大器的增益如圖4所示。功率分配器采用的Minicircuit公司的JS4PS-1W+，工作頻率為5MHz-1000MHz。功率分配器1路通道輸入，4路通道輸出，4個(gè)通道的插損損耗如圖5。
2總體方案設(shè)計(jì)
均衡器是四通道均衡放大模塊最核心的器件。射頻均衡器按照是否需要供電來區(qū)別，可以分為有源[5]和無源均衡器，一般工程上采用無源均衡器較多。常用的無源均衡器從結(jié)構(gòu)上可以分為波導(dǎo)型、同軸型和微帶型[6-9]，表1比較了三種類型的均衡器的特性。本設(shè)計(jì)首先排除了同軸和波導(dǎo)均衡器，這兩種均衡器體積大、重量重且不易集成。微帶均衡器成本低、且易于集成，非常適合微波頻段的均衡器設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的均衡器要求工作在中頻100MHz-600MHz頻段，由于微帶均衡器的微帶線長度和頻率成正比，按照此頻段設(shè)計(jì)的微帶均衡器版圖面積過大，導(dǎo)致加工成本大幅提高且不易集成。最后綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用集總元件和微帶線結(jié)合的均衡器電路設(shè)計(jì)[10]。集總元件包括村田公司貼片電容、電感和電阻，微帶線除了連接集總元件的作用外，還通過調(diào)諧微帶線的長度和寬度調(diào)諧均衡器的阻抗匹配。這種集總元件和微帶線結(jié)合的方式，能極大減小電路版圖面積，從而降低加工成本，且易于集成。
2.1均衡器設(shè)計(jì)的理論分析
均衡器不像其它的無源器件如功分器、耦合器和濾波器等設(shè)計(jì)理論成熟。均衡器目前理論設(shè)計(jì)有原型電路歸納法、實(shí)頻法[11]和達(dá)林頓網(wǎng)絡(luò)綜合法，這三種理論設(shè)計(jì)方法在指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)的工程問題時(shí)，都有一定的局限性
計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法從具有均衡特性的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，是一種基于計(jì)算機(jī)仿真的設(shè)計(jì)方法，在建立電路模型的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)優(yōu)化仿真來逼近要求的相應(yīng)均衡量。
計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)法的主要步驟是首先根據(jù)指標(biāo)要求選出合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后合理的選擇初值和掃參優(yōu)化類型。很多仿真軟件都可以用來進(jìn)行均衡器的設(shè)計(jì)，如HFSS、CST和ADS等等。ADS仿真軟件在仿真板級(jí)電路具有速度快，建模容易的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用ADS仿真軟件進(jìn)行整個(gè)四通道均衡放大模塊的設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)法最重要的就是確定初始電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，初始電路結(jié)構(gòu)直接決定了仿真時(shí)間和最后的結(jié)果。計(jì)算機(jī)優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)步驟如圖6所示。
2.2均衡器仿真設(shè)計(jì)
通過對(duì)各種集總元件均衡器電路結(jié)構(gòu)的嘗試，最后確定均衡器的拓?fù)淙鐖D7所示。均衡器的均衡效應(yīng)主要由集總元件完成，集總元件間用微帶線連接。除了連接作用外，通過優(yōu)化微帶線的長度和寬度，可以更好的和功率放大器匹配，以改善駐波。均衡器電路仿真完成后，把功率放大器和功分器的S參數(shù)生成snp文件，和均衡器一起進(jìn)行整個(gè)鏈路的方針。ADS的原理圖仿真沒有考慮實(shí)際微帶電路的寄生和耦合效應(yīng)，為了仿真結(jié)果和實(shí)際電路更接近，需要把原理圖生成版圖，并且把理想電容、電感模型替換為村田公司提供的實(shí)際的電容、電感模型。通過計(jì)算機(jī)的優(yōu)化，最后整個(gè)四通道均衡放大模塊的回波損耗如圖8所示，均衡特性如圖9所示。
3四通道均衡放大模塊加工調(diào)試測試
版圖仿真全部完成后，去掉集總元件及功率放大器和功分器模型，把微帶線版圖導(dǎo)入AutoCAD，在AutoCAD中添加功率放大器直流偏置外圍電路，并在版圖適當(dāng)?shù)胤郊尤氪竺娣e通孔鋪地，以減少信號(hào)之間的串?dāng)_。電路板加工采用Rogers公司的基板。四通道均衡放大模塊的電路板加工實(shí)物如圖10所示。把集總元件、功率放大器及功分器焊接到電路板，并把電路板放入加工好的腔體。
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最后把四通道均衡放大模塊INPUT端口和中頻同軸電纜連接，其它OUTPUT端口連接匹配負(fù)載，頻譜儀和OUTPUT1端口連接進(jìn)行測試，如圖11。測試結(jié)果和仿真結(jié)果會(huì)有誤差，可以通過微調(diào)均衡器集總電容、電感和電阻的值及功率放大器的直流偏置來對(duì)整個(gè)均衡放大模塊的均衡量進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳值。圖12為頻譜分析儀測試中頻信號(hào)經(jīng)過四通道均衡放大模塊其中一個(gè)通道的功率。和圖1比較，各頻段的中頻信號(hào)的功率平坦度都得到了明顯改善。剩余三個(gè)通道的功率所和圖12所示功率相似，和所示通道有±0.2dbm的波動(dòng)。端口隔離度優(yōu)于-40dB。
4結(jié)語
本文使用ADS仿真軟件，采用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)了射電天文接收機(jī)的中頻信號(hào)四通道均衡放大模塊。為了減少電路板面積，降低成本，采用了集總元件和微帶線相結(jié)合的方式。該均衡放大模塊兼顧了射電天文接收機(jī)L、S、C、K四個(gè)頻段及其左旋和右旋共8種信號(hào)通過下變頻后的中頻信號(hào)，對(duì)中頻信號(hào)的線損進(jìn)行功率均衡，改善中頻信號(hào)的功率平坦度。測試結(jié)果表明，8種中頻信號(hào)的功率平坦度都得到了明顯改善，達(dá)到了射電天文接收機(jī)中頻監(jiān)測系統(tǒng)的指標(biāo)要求。——論文作者：寧云煒1.2.3，閆浩1.2.3，曹亮1.2.3，馬軍1.2.3，李笑飛1.2.3，劉峰1.2.3，陳勇1.2.3
