卫星定位有源天线性能测试接口转换装置

摘要：在卫星有源接收天线测试过程中，受天线自身所带放大器增益的限制，其输出的信号功率无法达到后端测试设备最低输入灵敏度的要求，致使天线的某些性能测试工作无法进行。针对有源天线测试过程中遇到的接口不匹配和接收信号场强不匹配问题，提出了在被测有源天线与后端测试设备之间增加一个接口转换装置。该装置由SMA接头、低噪声放大器、直流电源隔离电路和防浪涌冲击电路构成。仿真表明，该接口转换装置能有效地完成在微波暗室里进行的卫星有源接收天线性能测试。
关键词：天线测试；有源天线；接口转换装置；低噪声放大器

    卫星有源接收天线由天线和所带低噪声放大器两部分组成，在接收天线性能测试过程中，受天线自身所带放大器增益的限制，其输出的信号功率无法达到后端测试设备最低输入灵敏度的要求，存在接收天线与测试接收机接口会出现不匹配的问题。在天线与测试设备之间必须增加一个接口转换装置才能有效地完成天线
性能的测试。

1 有源天线性能测试
    一般无源天线测试的基本原理框图如图1所示。

    随着卫星定位系统应用领域的扩大，许多情况下要求必须对其接收天线的性能进行测试。
    在微波暗室完成卫星接收天线性能的测试，标准天线只能作为发射天线，因为卫星有源天线内含有低噪声放大器，其工作模式为纯接收方式。发射与接收之间的间距是固定的。用于反映信号场强大小的接收机性能也是固定的。另一方面卫星接收天线一般足对-140 dBm的微弱信号进行放大，其增益动态范围和输出端口的动态范围很小，一般用它来对接收机的增益进行补充，因此反馈给它的输入信号功率电平不能太大。有源接收天线其输出端的功率为-120 dBm左右，而微波暗室里的场强接收机(实验室里的频谱分析仪、网络适量分析仪等接收设备等)接收灵敏度为-80 dBm左右，所以在整个测试回路里必须有40 dB左右的增益补充。
    所以在实际测试过程受测试条件和待测天线自身所带放大器增益限制，卫星有源接收天线输出端口的信号功率无法达到微波暗室场强测量接收机的正常接收灵敏度要求。另外正常工作时有源天线的工作电源是后端接收机通过射频电缆供给，而在暗室进行测试时场强接收机无此能力，这样就存在接口不匹配的问题。
    基于在微波暗室测量卫星有源接收天线所存在的问题，在待测天线与后端测试设备(场强接收机、频谱分析仪、网络分析仪等)之间增加一个接口转换装置来满足后级测试设备的需求。

2 有源接收天线性能测试接口转换装置
    接口转换装置在整个测试链路的位置，与前端待测火线、后端测量设备之间的连接关系如图2所示。

    接口转换装置安置在待测有源天线和测量仪器之问，它必须对由卫星接收天线接收下来的射频信号具有大于40 dB的增益；为保证整个传输链路信号的信噪比，必须具有低的噪声系数(小于1)并满足电路匹配和供电匹配。
    按照测试要求待源天线与后端测试设备之间的接口转换装置包括：与有源天线、后端测试设备对应的SMA接头；具有一定功能的低噪声放大器；直流电源隔离电路；防浪涌冲击电路。其接L1转换装置的结构如图3所示。

2．1 直流电源隔离电路
    直流电源隔离电路除给接口转换装置提供一正常工作电压外还要给卫星接收有源天线里的低噪声放大器提供一低纹波的工作电压。其技术特点是输出多路低纹波的±12 V，±5 V的工作电压。实际电路用目前技术比较成熟的微带传输线、瞬态电压抑制二极管、电阻、电容、电感及DC／DC模块等器件就可以实现。
2．2 低噪声放大器
    低噪声放大器是接口转换装置的核心器件，为接口装置提供了适宜的增益(大于40 dB)，保证了装置的噪声特性(前级放大器的噪声系数在0．9左右，由于它起的是一个桥梁作用，其噪声系数也必须小于1)，满足了测试过程中射频信号变化的线性动态范围(动态范围在60 dB左右)。
    接口转换装置输出增益就是所设计低噪声放大器的增益。该放大器的增益与所测天线自带的放大器的总增益在60 dB左右即可满足使用要求。一级放大电路仅能提供小于20 dB的增益，而有源天线自带放大器增益只有十几分贝，所以该低噪声放大器设计成两级放大器，器件采用ATF54143晶体管。
    对第一级放大电路优先考虑噪声系数，后一级放大电路主要考虑稳定性，第一级输入按最佳噪声设计匹配电路，输出对增益的平坦度进行一定的补偿，第二级按最大增益设计匹配，使放大器有较高的增益，并使幅频特性为最佳平坦。其低噪声放大器结构框图如图4所示。

    低噪声放大器的偏置电路中晶体管的S参数和噪声系数是在特定的静态工作点测得的，静态直流工作点不同，各参数也会有变化，为了准确地设计，选择参数测定时的工作点为放大器的工作点。图5是取静态工作点为Vds=4 V，Ids=10 mA，得到Vgs=0．45 V的直流特性曲线，m1所指曲线为选定的直流特性曲线。

    匹配电路包括输入、输出和级间匹配电路，设计中借助Smith圆图完成匹配电路的设计。
2．3 防浪涌冲击电路
    防浪涌冲击电路是阻止整个天线测试过程中浪涌电流对有源天线及低噪声放大器的损坏，有效地保护了整个信号接收链路里的测试装置。电路实现采用专用绕线电阻、高频二极管、高频三极管、电感、电容进行组合，形成防浪涌冲击电路。

3 仿真验证
    ADS是在射频微波领域具有强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力的EDA软件，包括从频域和时域电路仿真到电磁场仿真的全套仿真技术。
    利用ADS仿真软件对低噪声放大器电路进行仿真。仿真得到的低噪声放大器工作频率为1．3～1．8 GHz，NF<0．76 dB，Gain>30 dB、输出驻波比：VSWRout≤2．1，输入驻波比：VSWRin≤1．7。其性能指标以及其曲线如图6～图9所示。

    从图6中可以看出在1．3～1．8 GHz之间，两级放大器的增益大于设计指标要求的30 dB。
    在两个稳定性测量方程Mu和MuPrime下满足稳定性的要求。
    从仿真结果看，基于ATF-54143射频晶体管实现的低噪声放大器具有宽的线性功率范围(比所测天线自带的低噪声放大器的线性功率范围宽30 dB左右)、大的功率增益(该放大器的增益与所测天线自带的低噪声放大器的增益加起来总增益在60 dB左右)、低的噪声系数(噪声系数与增益之比远小于所测天线自带的低噪声放大器的噪声系数与增益之比)和低的增益平坦度(0．1dB)。

4 结论
    本文提出了在待测有源天线和测量仪器之间连接一个接口转换装置。该装置由SMA接头、低噪声放大器、直流电源隔离电路和防浪涌冲击电路构成。仿真表明，该低噪声放大器具有宽的线性功率范围、适宜的功率增益、最佳的噪声系数和低的增益平坦度。该接口转换装置能有效地完成在微波暗室里进行的卫星有源接收天线性能测试。
    该接口转换装置还可用于实验室通过网络分析仪或频谱分析仪对类似卫星信号这样的微弱信号进行分析，具有一定的实用价值。