衛(wèi)星定位有源天線性能測(cè)試接口轉(zhuǎn)換裝置

摘要：在衛(wèi)星有源接收天線測(cè)試過程中，受天線自身所帶放大器增益的限制，其輸出的信號(hào)功率無法達(dá)到后端測(cè)試設(shè)備最低輸入靈敏度的要求，致使天線的某些性能測(cè)試工作無法進(jìn)行。針對(duì)有源天線測(cè)試過程中遇到的接口不匹配和接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)不匹配問題，提出了在被測(cè)有源天線與后端測(cè)試設(shè)備之間增加一個(gè)接口轉(zhuǎn)換裝置。該裝置由SMA接頭、低噪聲放大器、直流電源隔離電路和防浪涌沖擊電路構(gòu)成。仿真表明，該接口轉(zhuǎn)換裝置能有效地完成在微波暗室里進(jìn)行的衛(wèi)星有源接收天線性能測(cè)試。
關(guān)鍵詞：天線測(cè)試；有源天線；接口轉(zhuǎn)換裝置；低噪聲放大器

    衛(wèi)星有源接收天線由天線和所帶低噪聲放大器兩部分組成，在接收天線性能測(cè)試過程中，受天線自身所帶放大器增益的限制，其輸出的信號(hào)功率無法達(dá)到后端測(cè)試設(shè)備最低輸入靈敏度的要求，存在接收天線與測(cè)試接收機(jī)接口會(huì)出現(xiàn)不匹配的問題。在天線與測(cè)試設(shè)備之間必須增加一個(gè)接口轉(zhuǎn)換裝置才能有效地完成天線
性能的測(cè)試。

1 有源天線性能測(cè)試
    一般無源天線測(cè)試的基本原理框圖如圖1所示。

    隨著衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，許多情況下要求必須對(duì)其接收天線的性能進(jìn)行測(cè)試。
    在微波暗室完成衛(wèi)星接收天線性能的測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)天線只能作為發(fā)射天線，因?yàn)樾l(wèi)星有源天線內(nèi)含有低噪聲放大器，其工作模式為純接收方式。發(fā)射與接收之間的間距是固定的。用于反映信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)大小的接收機(jī)性能也是固定的。另一方面衛(wèi)星接收天線一般足對(duì)-140 dBm的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，其增益動(dòng)態(tài)范圍和輸出端口的動(dòng)態(tài)范圍很小，一般用它來對(duì)接收機(jī)的增益進(jìn)行補(bǔ)充，因此反饋給它的輸入信號(hào)功率電平不能太大。有源接收天線其輸出端的功率為-120 dBm左右，而微波暗室里的場(chǎng)強(qiáng)接收機(jī)(實(shí)驗(yàn)室里的頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)適量分析儀等接收設(shè)備等)接收靈敏度為-80 dBm左右，所以在整個(gè)測(cè)試回路里必須有40 dB左右的增益補(bǔ)充。
    所以在實(shí)際測(cè)試過程受測(cè)試條件和待測(cè)天線自身所帶放大器增益限制，衛(wèi)星有源接收天線輸出端口的信號(hào)功率無法達(dá)到微波暗室場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量接收機(jī)的正常接收靈敏度要求。另外正常工作時(shí)有源天線的工作電源是后端接收機(jī)通過射頻電纜供給，而在暗室進(jìn)行測(cè)試時(shí)場(chǎng)強(qiáng)接收機(jī)無此能力，這樣就存在接口不匹配的問題。
    基于在微波暗室測(cè)量衛(wèi)星有源接收天線所存在的問題，在待測(cè)天線與后端測(cè)試設(shè)備(場(chǎng)強(qiáng)接收機(jī)、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等)之間增加一個(gè)接口轉(zhuǎn)換裝置來滿足后級(jí)測(cè)試設(shè)備的需求。

2 有源接收天線性能測(cè)試接口轉(zhuǎn)換裝置
    接口轉(zhuǎn)換裝置在整個(gè)測(cè)試鏈路的位置，與前端待測(cè)火線、后端測(cè)量設(shè)備之間的連接關(guān)系如圖2所示。

    接口轉(zhuǎn)換裝置安置在待測(cè)有源天線和測(cè)量?jī)x器之問，它必須對(duì)由衛(wèi)星接收天線接收下來的射頻信號(hào)具有大于40 dB的增益；為保證整個(gè)傳輸鏈路信號(hào)的信噪比，必須具有低的噪聲系數(shù)(小于1)并滿足電路匹配和供電匹配。
    按照測(cè)試要求待源天線與后端測(cè)試設(shè)備之間的接口轉(zhuǎn)換裝置包括：與有源天線、后端測(cè)試設(shè)備對(duì)應(yīng)的SMA接頭；具有一定功能的低噪聲放大器；直流電源隔離電路；防浪涌沖擊電路。其接L1轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2．1 直流電源隔離電路
    直流電源隔離電路除給接口轉(zhuǎn)換裝置提供一正常工作電壓外還要給衛(wèi)星接收有源天線里的低噪聲放大器提供一低紋波的工作電壓。其技術(shù)特點(diǎn)是輸出多路低紋波的±12 V，±5 V的工作電壓。實(shí)際電路用目前技術(shù)比較成熟的微帶傳輸線、瞬態(tài)電壓抑制二極管、電阻、電容、電感及DC／DC模塊等器件就可以實(shí)現(xiàn)。
2．2 低噪聲放大器
    低噪聲放大器是接口轉(zhuǎn)換裝置的核心器件，為接口裝置提供了適宜的增益(大于40 dB)，保證了裝置的噪聲特性(前級(jí)放大器的噪聲系數(shù)在0．9左右，由于它起的是一個(gè)橋梁作用，其噪聲系數(shù)也必須小于1)，滿足了測(cè)試過程中射頻信號(hào)變化的線性動(dòng)態(tài)范圍(動(dòng)態(tài)范圍在60 dB左右)。
    接口轉(zhuǎn)換裝置輸出增益就是所設(shè)計(jì)低噪聲放大器的增益。該放大器的增益與所測(cè)天線自帶的放大器的總增益在60 dB左右即可滿足使用要求。一級(jí)放大電路僅能提供小于20 dB的增益，而有源天線自帶放大器增益只有十幾分貝，所以該低噪聲放大器設(shè)計(jì)成兩級(jí)放大器，器件采用ATF54143晶體管。
    對(duì)第一級(jí)放大電路優(yōu)先考慮噪聲系數(shù)，后一級(jí)放大電路主要考慮穩(wěn)定性，第一級(jí)輸入按最佳噪聲設(shè)計(jì)匹配電路，輸出對(duì)增益的平坦度進(jìn)行一定的補(bǔ)償，第二級(jí)按最大增益設(shè)計(jì)匹配，使放大器有較高的增益，并使幅頻特性為最佳平坦。其低噪聲放大器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    低噪聲放大器的偏置電路中晶體管的S參數(shù)和噪聲系數(shù)是在特定的靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)得的，靜態(tài)直流工作點(diǎn)不同，各參數(shù)也會(huì)有變化，為了準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)，選擇參數(shù)測(cè)定時(shí)的工作點(diǎn)為放大器的工作點(diǎn)。圖5是取靜態(tài)工作點(diǎn)為Vds=4 V，Ids=10 mA，得到Vgs=0．45 V的直流特性曲線，m1所指曲線為選定的直流特性曲線。

    匹配電路包括輸入、輸出和級(jí)間匹配電路，設(shè)計(jì)中借助Smith圓圖完成匹配電路的設(shè)計(jì)。
2．3 防浪涌沖擊電路
    防浪涌沖擊電路是阻止整個(gè)天線測(cè)試過程中浪涌電流對(duì)有源天線及低噪聲放大器的損壞，有效地保護(hù)了整個(gè)信號(hào)接收鏈路里的測(cè)試裝置。電路實(shí)現(xiàn)采用專用繞線電阻、高頻二極管、高頻三極管、電感、電容進(jìn)行組合，形成防浪涌沖擊電路。

3 仿真驗(yàn)證
    ADS是在射頻微波領(lǐng)域具有強(qiáng)大的功能、豐富的模板支持和高效準(zhǔn)確的仿真能力的EDA軟件，包括從頻域和時(shí)域電路仿真到電磁場(chǎng)仿真的全套仿真技術(shù)。
    利用ADS仿真軟件對(duì)低噪聲放大器電路進(jìn)行仿真。仿真得到的低噪聲放大器工作頻率為1．3～1．8 GHz，NF<0．76 dB，Gain>30 dB、輸出駐波比：VSWRout≤2．1，輸入駐波比：VSWRin≤1．7。其性能指標(biāo)以及其曲線如圖6～圖9所示。

    從圖6中可以看出在1．3～1．8 GHz之間，兩級(jí)放大器的增益大于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的30 dB。
    在兩個(gè)穩(wěn)定性測(cè)量方程Mu和MuPrime下滿足穩(wěn)定性的要求。
    從仿真結(jié)果看，基于ATF-54143射頻晶體管實(shí)現(xiàn)的低噪聲放大器具有寬的線性功率范圍(比所測(cè)天線自帶的低噪聲放大器的線性功率范圍寬30 dB左右)、大的功率增益(該放大器的增益與所測(cè)天線自帶的低噪聲放大器的增益加起來總增益在60 dB左右)、低的噪聲系數(shù)(噪聲系數(shù)與增益之比遠(yuǎn)小于所測(cè)天線自帶的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)與增益之比)和低的增益平坦度(0．1dB)。

4 結(jié)論
    本文提出了在待測(cè)有源天線和測(cè)量?jī)x器之間連接一個(gè)接口轉(zhuǎn)換裝置。該裝置由SMA接頭、低噪聲放大器、直流電源隔離電路和防浪涌沖擊電路構(gòu)成。仿真表明，該低噪聲放大器具有寬的線性功率范圍、適宜的功率增益、最佳的噪聲系數(shù)和低的增益平坦度。該接口轉(zhuǎn)換裝置能有效地完成在微波暗室里進(jìn)行的衛(wèi)星有源接收天線性能測(cè)試。
    該接口轉(zhuǎn)換裝置還可用于實(shí)驗(yàn)室通過網(wǎng)絡(luò)分析儀或頻譜分析儀對(duì)類似衛(wèi)星信號(hào)這樣的微弱信號(hào)進(jìn)行分析，具有一定的實(shí)用價(jià)值。