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海洋探测卫星微波散射计接收机

2017-11-02 投稿作者:你望穿秋水,我忘穿秋裤 点击:23

  摘要:本文主要介绍了海洋探测卫星载荷微波散射计接收机的研制。该接收机通过电平分配以及计算机优化设计,采用成熟工艺实现。达到指标中心频率:Ku波段、噪声系数:1.6dB、动态范围:75dB、增益:120dB,并实现星用接收机的高可靠。
  关键词:探测卫星 接收机 低噪声 大动态 高可靠
  1、前言
  海洋探测卫星主要用于获取海面风场、海浪等海洋动力环境参数。其主要载荷微波散射计主要用于测量海面风速和风向。它通过在不同方位脚测量海面同一区域的雷达后向散射系数(σ0),并利用σ0和海面附近风的几何模型函数来推导出海面风的速度和方向,从而收集海洋表面的矢量风场。接收机是散射计接收系统中的主要部件,由射频接收机和中频接收机两部分组成。
  2、方案和电路设计
  接收机采用超外差式二级变频方式,即接收的Ku波段微波信号经过下变频、滤波及前级中频放大处理,再经过二次变频到第二中频,经滤波放大后到满足输出电平要求的中频信号。接收机的内部单元电路主要包括低噪声放大器、混频器、数控衰减器、中频放大器等部分。
  低噪声放大器是接收机内部的关键部件,接收机单元噪声的指标主要由射频接收机来实现,为满足系统的噪声要求,低噪声放大器的噪声系数应小于1.0dB,放大器的结构为四级放大,

射频增益达到41dB。根据计算机仿真优化结果(如图1),由两级场效应管组成的前级电路的噪声系数能达到0.8dB,考虑到前面的波导隔离器以及波导同轴转换,组件射频部分的噪声系数为1.4dB。由于射频部分的增益达到40dB以上,根据系统噪声的计算公式,
  后级电路的噪声贡献约为0.1dB左右,整个接收机的噪声系数将小于1.5dB。
  图1 噪声系数优化曲线
  作为大动态的接收机,其动态范围需要大于75dB。根据系统要求,中频接收机总的衰减量需要达到75dB,步进1dB;采用的数控衰减器由7级单刀双掷开关级联而成,每个开关分为直通和衰减两态,根据外部7位TTL电平的搭配,可以产生系统需要的衰减值。考虑到极限衰减时衰减精度有误差,只取其中0dB~75dB这段。开关在衰减态的衰减量是靠内部的固定衰减器,该衰减器为无源器件,在相同温度下的衰减量是恒定的,衰减重复精度很高,约为±0.05dB。
  接收机的总增益为120dB,考虑到变频损耗以及其它元器件、电路的损耗,整个单元的净放大量将达到约140dB,除了前级低噪声放大器约40dB增益以外,中频部分还需要多级放大器级联。为防止出现自激现象,在整个单元中合理分配增益,将主要的放大部分分配于混频后的二中频部分,同时又要保证各元器件处于线性状态。主中放单元是整个接收机系统中最主要的放大部分,共分四级放大。根据电平计算,中频放大器的净增益达到76dB。
  在整个增益链路中共设置了10级π型网络固定衰减器。主要有两个作用:(1)增加各级器件之间的驻波匹配,让各级器件能正常工作,防止产生自激现象。(2)通过改变衰减器的衰减量可以调整系统的增益,使之达到合适水平。
  根据测试数据显示,该方案可以满足增益稳定性要求。
  3、可靠性和工艺实现
  探测卫星的运行轨道高度近1000Km,位于内辐射带的内边缘附近。宇宙空间环境能对航天器产生巨大危害,据统计,空间环境影响引起的故障是航天器的最主要的故障原因,所以可靠性是航天器的重要性能之一。接收机工作在舱内,不直接面对宇宙空间,但是仍承受宇宙辐射、深冷空间背景、频繁冷热交替等宇宙环境的强烈影响。因此,接收机的设计实现需要具有很高的可靠性。
  接收机的设计工作参照建造规范为依据开展。首先是电路功能的设计要满足电性能指标要求,电路同时要满足电磁兼容要求。其次是元器件的选择考虑,组件中元器件的质量等级均满足航天要求,在热设计和抗力学环境设计上,按照相关要求,合力排版布局,采取有效的散热措施。在不影响可靠性的基础上,减小单元电路的体积、缩短引线长度。在整个设备的生产和运输过程中都要严格采取防静电措施,工作环境的防静电措施要满足要求。
  星载产品制造工艺必须以安全可靠为第一准则,尽量使用现有的成熟工艺以及已经大量使用且已证明高可靠的器件,制定的工艺规范可操作性最佳,工艺方法合理有效、有较强的可检验性和稳定性,完成的产品满足要求的所有技术指标,产品质量可靠性高,同时工艺地选择应与型号产品整体工艺相一致,不准采用航天禁用工艺。本产品所采用的工艺均为成熟工艺,有各自的通用工艺文件作为执行参考。
  4、测试结果
  根据上述设计思路以及制造工艺,完成了接收机样品的研制,经过测试,产品主要技术指标测试结果如表1所示。
  表1主要指标测试内容及结果
  5、结语
  接收机具有动态范围大、低噪声、高增益、高线性度和高稳定性等特点,同时,成熟的可靠性设计和制造工艺使其具有很高的可靠性。适合于星载有源高灵敏探测接收系统。目前已应用于海洋探测卫星雷达高度计和微波散射计等多种微波载荷中。
  参考文献
  [1]顾其诤,项加桢,袁孝康等着.微波集成电路设计[M].
  [2]王蕴仪等编着.微波器件与电路设计[M].
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