發布時間：2021-10-20所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：射電天文接收機中頻系統是接收機的重要組成部分，接收機的L、S、C、K波段的左圓極化和右圓極化信號在高頻倉通過下變頻成為中頻信號。中頻信號通過同軸電纜傳送到觀測室。觀測室距離射電望遠鏡高頻倉較遠，因此線損較大，且不同頻率的信號損耗不同，頻
摘要：射電天文接收機中頻系統是接收機的重要組成部分，接收機的L、S、C、K波段的左圓極化和右圓極化信號在高頻倉通過下變頻成為中頻信號。中頻信號通過同軸電纜傳送到觀測室。觀測室距離射電望遠鏡高頻倉較遠，因此線損較大，且不同頻率的信號損耗不同，頻率越高損耗越大，導致中頻信號功率較小且增益平坦度隨頻率增加而降低。設計了四通道均衡放大模塊，提高中頻信號增益并補償增益平坦度。該模塊的均衡器采用了集總元件和微帶線相結合的方式，具有結構緊湊、易于集成、成本低的優點。測試結果表明，在6倍頻帶寬內，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的要求。
關鍵詞：均衡器;放大模塊;接收機;射電天文;阻抗匹配
0引言
新疆天文臺南山25米射電望遠鏡建成于1993年，2016年對25米射電望遠鏡進行了整體改造升級，改造后天線口徑為26米。改造后的26米射電望遠鏡主要工作在L、S、C、K頻段。射電天文接收機位于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通過接收機的下變頻器變為中頻信號。中頻信號通過同軸電纜從饋源倉連接到監控室。因為同軸電纜距離較長，導致中頻信號線損較大，且不同頻段的中頻信號經過饋線時，線損不同，導致中頻信號在輸出功率在每個頻點不一樣。為了彌補同軸電纜的損耗和維持中頻信號的增益平坦性，且中頻信號需要等功率分成四路輸出，其中三路信號分別進入脈沖星消色散終端、VLBI系統終端和連續譜觀測終端，另外一路急如中頻監視模塊，如圖1所示。因此需要四通道均衡放大模塊提供經過均衡后的輸出功率曲線。
2018年，南山25米射電望遠鏡更換了新的中頻電纜，更換的電纜規格為安德魯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。為了對新電纜傳輸的中頻信號的功率進行均衡放大，需要研制新的均衡放大模塊，以滿足射電天文接收機中頻系統的要求。
1總體方案設計
南山26米射電望遠鏡各頻段中頻信號經過同軸電纜后的線損如圖2所示，從系統整體規劃的角度出發，首先考慮如何實現系統整體性能的最優化，再根據單元組件的具體指標需求，結合單元組件選擇最優的設計方案。
1.1均衡放大模塊鏈路設計
四通道均衡放大模塊首先要實現中頻信號的功率均衡和放大，由圖2可知，在L、S、C、K四個頻段的中頻信號中，K頻段右旋極化的功率信號斜率最大，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進一步增加各頻段的斜率[2]，導致均衡器的設計難度增加[3]，因此把均衡器置于功率放大器之前。要實現四通道輸出，需要在功率放大器后再加一個1分4功率分配器，整個鏈路如圖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中頻信號經過線損的功率平坦度進行補償，均衡放大模塊里的功率放大器和功率分配器兩個器件本身特性也會對功率平坦度產生影響，這在考慮用均衡電路對中頻信號的功率平坦度進行補償時，必須考慮進去[4]。本設計采用的功率放大器為Minicircuit公司的GVA-60+，工作頻率為10MHz-5000MHz，在整個頻帶內具有較好的增益平坦度。但是由于放大器本身的米勒效應，導致放大器在中頻100MHz-600MHz內的增益平坦度還是不一致，并和線損的增益平坦度呈現相同的趨勢，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個通道的插損損耗如圖5。
2總體方案設計
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構上可以分為波導型、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。本設計首先排除了同軸和波導均衡器，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計。本設計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，按照此頻段設計的微帶均衡器版圖面積過大，導致加工成本大幅提高且不易集成。最后綜合考慮，本設計采用集總元件和微帶線結合的均衡器電路設計[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，還通過調諧微帶線的長度和寬度調諧均衡器的阻抗匹配。這種集總元件和微帶線結合的方式，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均衡器設計的理論分析
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計理論成熟。均衡器目前理論設計有原型電路歸納法、實頻法[11]和達林頓網絡綜合法，這三種理論設計方法在指導實際設計的工程問題時，都有一定的局限性
計算機優化設計方法從具有均衡特性的電路拓撲結構出發，是一種基于計算機仿真的設計方法，在建立電路模型的基礎上，通過計算機優化仿真來逼近要求的相應均衡量。
計算機優化設計法的主要步驟是首先根據指標要求選出合適的電路拓撲結構，然后合理的選擇初值和掃參優化類型。很多仿真軟件都可以用來進行均衡器的設計，如HFSS、CST和ADS等等。ADS仿真軟件在仿真板級電路具有速度快，建模容易的優點，本設計采用ADS仿真軟件進行整個四通道均衡放大模塊的設計。計算機優化設計法最重要的就是確定初始電路拓撲結構，初始電路結構直接決定了仿真時間和最后的結果。計算機優化仿真設計步驟如圖6所示。
2.2均衡器仿真設計
通過對各種集總元件均衡器電路結構的嘗試，最后確定均衡器的拓撲如圖7所示。均衡器的均衡效應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參數生成snp文件，和均衡器一起進行整個鏈路的方針。ADS的原理圖仿真沒有考慮實際微帶電路的寄生和耦合效應，為了仿真結果和實際電路更接近，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際的電容、電感模型。通過計算機的優化，最后整個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，并在版圖適當地方加入大面積通孔鋪地，以減少信號之間的串擾。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端口連接匹配負載，頻譜儀和OUTPUT1端口連接進行測試，如圖11。測試結果和仿真結果會有誤差，可以通過微調均衡器集總電容、電感和電阻的值及功率放大器的直流偏置來對整個均衡放大模塊的均衡量進行調整，以達到最佳值。圖12為頻譜分析儀測試中頻信號經過四通道均衡放大模塊其中一個通道的功率。和圖1比較，各頻段的中頻信號的功率平坦度都得到了明顯改善。剩余三個通道的功率所和圖12所示功率相似，和所示通道有±0.2dbm的波動。端口隔離度優于-40dB。
4結語
本文使用ADS仿真軟件，采用計算機優化設計法設計了射電天文接收機的中頻信號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合的方式。該均衡放大模塊兼顧了射電天文接收機L、S、C、K四個頻段及其左旋和右旋共8種信號通過下變頻后的中頻信號，對中頻信號的線損進行功率均衡，改善中頻信號的功率平坦度。測試結果表明，8種中頻信號的功率平坦度都得到了明顯改善，達到了射電天文接收機中頻監測系統的指標要求。——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
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