Ku波段卫星通信转发器设计与实现

程龙宝 佘丽佳 仝红霞 刘世劼 于翔

摘要：论述了一种Ku波段卫星透明转发器的实现方法与技术途径，包括变频单元和信道处理单元两部分。对一些主要部件进行了简要的理论分析，并给出微波电路仿真结果和设计形式，最后得出转发器的测试结果。

关键词：Ku波段；卫星通信；转发器；自动增益控制

中图分类号：TN927 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0177-02

卫星转发器是通信卫星和中继卫星的核心，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[1]。透明转发器收到地面发来的信号，除进行低噪声放大、变频、功率放大外不做任何加工处理，它对工作频带内的任何信号都是“透明”的通路；处理转发器除了转发信号外，还具有信号处理功能。星上的信号处理，主要包括对信号进行解调再生和其它的信号变换和处理，再就是在多波束通信中对信号进行星上切换和处理[2]。本文设计了一种用于中继卫星的全透明转发器，依据不同用户星的轨道需求，具有增益调节功能，可进行发射功率的调整。

1 转发器组成和指标要求

Ku波段转发器主要由变频单元和信道处理单元两部分组成，转发器的变频体制按其变频次数可分为一次变频和二次变频。本文采用一次变频体制，具有无频谱倒置、集成度高、性能稳定可靠、结构简单等特点。变频单元和信道处理单元原理框图分别如图1和图2所示。

根据原理框图，变频单元主要由混频模块、本振放大模块、中频放大模块和电源部分组成；信道处理单元主要由可变增益放大模块、检波增益控制模块、驱动模块和电源部分组成。

2 关键电路设计与测试

2.1 本振放大模块设计

2.1.1 匹配电路设计

在源和负载之间插入一个无源匹配网络，可以使负载阻抗与源阻抗相匹配，从而实现最大的功率传输。在低频频段采用分立元件网络就能实现，而在射频频段，分立元件的寄生参数效应就变得更加明显，通常采用微带线和微带短截线等分布参数元件来代替分立元件而构成匹配网络[3]。

2.1.2 电路仿真优化及测试

设计选定放大器静态工作点为Vds=2V，Ids=10mA，采用陶瓷基板，介电常数εr=9.8，基板厚度H=0.254mm。使用计算机辅助设計软件ADS进行原理图和版图仿真，根据仿真结果可知放大器在整个工作频带内绝对稳定。经过测试得到本振放大器在需要的信号带宽内增益大于20dB，增益波动小于±0.2dB，满足设计要求。

2.2 信道处理单元设计

Ku波段转发器信道处理单元完成射频信号的衰减、增益放大、限幅放大、功率检波和功率衰减等功能，具有自动增益控制工作模式和线性放大工作模式。设计信道处理单元在自动增益控制工作模式时增益为30.5dB，线性工作模式时增益为23.5dB，增益变化如图3所示。

2.3 Ku波段腔体滤波器设计与测试

Ku波段腔体滤波器各谐振单元之间主要是通过磁场进行耦合。根据滤波器的通带频率选择已知电磁场解的谐振单元，构造单腔。实际滤波器中单个腔体的尺寸一致；再利用三维全波电磁仿真软件Ansoft HFSS进行本征模分析，本征模式是结构的谐振频率，基于有限元算法的HFSS采用本征模式求解器求出该结构的谐振频率[4]。

用矢量网络分析仪对滤波器进行测试，实测结果是带内插损<2.5dB，回波损耗<-20dB， -1dB带宽>50MHz，带外抑制f0±200MHz>50dBc，理论仿真与实测结果较吻合。

3 Ku波段卫星转发器测试结果

该转发器已完成样机研制，经测试各项性能均达到或优于指标要求。测试数据如表1所示，满足设计要求。

4 结语

本文研制了基于微组装工艺的高性能本振放大器、射频滤波器、自动增益控制放大器和射频滤波器等组件，实现了Ku/Ku射频信号的频谱搬移和信道处理，为进一步开展卫星转发器工程化研制的积累了经验。

参考文献

[1]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，（2）：43-55.

[2]成跃进.Ka波段通信卫星与Ka波段转发器技术[J].空间电子技术，2000，（2）：20-31.

[3]程龙宝，赵涛，黄凯旋.深空探测X波段低噪声放大器研究和设计[C].中国宇航学会深空探测技术委员会第八届学术年会，2011，（10）：434-438.

[4]peizhang wang， Guang lei. Up-converter and down-converter design for S-Ku band.CJW2011，2011.

Abstract：This paper discusses a realization method and technical approach of a Ku-band satellite transparent transponder， including two parts of frequency conversion unit and channel processing unit. A brief theoretical analysis of some major components was conducted， and the microwave circuit simulation results and design forms were given. Finally， the test results of the repeater were obtained.

Key words：Ku band； satellite communication； transponder； automatic gain control