CN113285748B - 星载通信系统微型化射频前端装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星载通信系统微型化射频前端装置，包括：射频接口部件、连接器、隔离器部件、功率分配器、接收滤波器部件、发射滤波器部件、低噪声放大电路部件以及功率放大电路部件；所述功率分配器与射频接口部件相连；所述隔离器部件与功率分配器相连；所述接收滤波器部件与隔离器部件相连；所述功率放大电路部件与发射滤波器部件相连；所述接收滤波器部件与低噪声放大电路部件相连。本发明中，星载通信系统微型化射频前端同时集成有功分器、滤波器、低噪声放大电路和功率放大电路，模块集成度高，体积小。

Description

星载通信系统微型化射频前端装置

技术领域

本发明涉及卫星微波通信技术领域，具体地，涉及一种星载通信系统微型化射频前端装置。

背景技术

随着航天技术的应用，微小卫星发展迅速，微小卫星应用逐渐从低轨转向到高轨，由于卫星与地面之间的距离增加，对通信系统接收灵敏度及发射功率提出了更高要求。微小卫星对各系统的体积、重量、功耗和成本都有很大限制，尤其是用于高轨道的微小卫星，对各项指标有着更高的要求，其中接收灵敏度与发射功率为通信系统的关键指标。功分器、滤波器、功率放大器、低噪声放大器是通信系统中不可缺少的一部分，决定着通信系统的灵敏度和有效发射功率。射频接收灵敏度主要取决于射频接收前端无源器件的信号差损和低噪声放大器噪声系数，高灵敏度接收机需保证射频接收通道具有较高的G/T值。高轨道信号传输距离远，发射功率需要足够大，功率放大器到天线之间的差损足够小，使具有更高的EIRP值。要保证功放能长期稳定工作，需降低器件内部工作温度，以保障可靠性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星载通信系统微型化射频前端装置。

根据本发明提供的一种星载通信系统微型化射频前端装置,包括：射频接口部件、连接器、隔离器部件、功率分配器、接收滤波器部件、发射滤波器部件、低噪声放大电路部件、功率放大电路部件；所述功率分配器与射频接口部件相连；所述隔离器部件与功率分配器相连；所述接收滤波器部件与隔离器部件相连；所述功率放大电路部件与发射滤波器部件相连；所述接收滤波器部件与低噪声放大电路部件相连。

优选地，所述射频接口部件包括：天线端射频输入接口；

所述天线端射频输入接口与功率分配器。

优选地，所述射频接口部件包括：天线端射频输出接口；

所述天线端射频输出接口与功率分配器。

优选地，所述射频接口部件包括：通道端射频接口；

所述通道端射频接口与发射滤波器部件、低噪声放大电路部件分别相连。

优选地，所述接收滤波器部件采用腔体滤波器。

优选地，所述低噪声放大电路部件采用超低噪声放大电路。

优选地，所述发射滤波器部件采用腔体滤波器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中，星载通信系统微型化射频前端同时集成有功分器、滤波器、低噪声放大电路和功率放大电路，模块集成度高，体积小；

2、本发明实现的功能多且指标高，具有功率分配功能，接收通道和发射通道都具有选频放大功能，收发隔离度高；

3、本发明中，前端可为系统提供更高的G/T值和EIRP值。同样，功率放大器充分利用前端模块金属结构散热，可有效解决微型化通信系统功率放大器散热难题。优化了结构布局，避免了小体积腔体滤波器低气压放电风险。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的星载通信系统微型化射频前端的框架示意图。

图2为本发明实施例中的功率分配器原理示意图。

图3为本发明实施例中的功率放大电路的原理示意图。

图4为本发明实施例中的X频段低噪声放大电路的原理示意图。

图5为本发明实施例中的星载通信系统微型化射频前端的分腔示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种工作在星载通信系统的射频前端。该射频前端将功分电路、腔体滤波器(含接收通道滤波器或发射通道滤波器)、功率放大电路或低噪声放大电路集成在一个模块上，同时具有功率分配，频率选择，射频信号放大功能。设计了发射前端通道，可提高放大器有效输出功率，增加通信系统的EIRP，同时解决了低气压放电的难题。设计了功率放大电路，对调制后的射频信号进行功率放大，输出功率满足中高轨道卫星通信系统需求。设计了接收前端通道，可获得更低的噪声系数，增通信系统的灵敏度。设计了超低噪声放大器，功耗低，增益大，噪声系数小。设计有功率分配器，可满足星载平台对天对地收发需求。设计了腔体滤波器，可对频率进行选择。构成前端模块的金属材料可及时给功率放大器散热，可有效解决功放散热难题。该模块成本低，集成度高，尺寸小，可靠性高，可广泛应用于微小型卫星的通信系统中。

具体地，在一个实施例中，一种适用于高轨微小卫星通信系统射频前端模块，要求模块体积小、重量轻、效率高，具有功率分配功能、频率选择放大功能，同时射频接收噪声系数低，发射功率足够大的特点。模块功放热阻小，具有良好的散热性能，能保证模块长期稳定工作。

根据上述需求特点，提供一种星载通信系统微型化射频前端，包括：射频接口、连接器、隔离器、功率分配器、接收滤波器、发射滤波器、低噪声放大电路、功率放大电路。

进一步地，射频前端集成的功率分配电路，实现两路射频信号收发合一接口，支持卫星对天、对地收发天线布局模式需求。

进一步地，射频前端功率分配器与腔体滤波器之间设置有隔离器，更好地实现之间的信号阻抗匹配。

进一步地，射频前端的腔体滤波器，含接收通道腔体滤波器和发射通道腔体滤波器，具有频率选择和收发隔离功能。将发射腔体滤波器和功率放大器电路放置位置进行了优化，使发射腔体滤波器输入功率小，避免低气压放电问题，可减小腔体滤波器体积，从而进一步减小模块体积和重量。

进一步地，射频前端设计有宽带低噪声放大电路，频率覆盖范围宽，能对微弱信号进行放大，与腔体滤波器共同构成选频放大功能。通过减小天线到低噪声放大器之间的差损，选用超低噪声放大器，从而具有高G/T值。

进一步地，射频前端在模块的结构上，射频接收电路的第一级低噪声放大器和第二级低噪声放大器之间采用分腔隔离，以减少空间耦合。

进一步地，射频前端的射频接收电路的第一级和第二级低噪声放大器后分别设有LTCC滤波器，进一步提高带外信号抑制能力。低噪声放大电路采用LDO供电，适应宽范围的输入电压，提供更低噪声的电源。

进一步地，射频前端设计有功率放大电路，与腔体滤波器共同构成选频放大功能，功放有效输出功率大，通过减小线损，提高模块有效信号输出效率，从而增加通信系统的EIRP值。

进一步地，射频前端的功率放大器直接烧结在结构本体上，可减少功率放大器与结构之间的热阻，提高功率放大器散热效果。同时，将功率分配器、功率放大器、低噪声放大器、腔体滤波器集成在一个金属结构上，可充分利用构成射频前端金属材料结构对功率放大器进行散热，提高放大器可靠性。

进一步地，射频前端在模块的结构上射频接收电路和功率放大电路单独分腔，降低信号的串扰，提高射频前端收发隔离度。

进一步地，射频前端设置有低频接插件，可灵活提供含电源、遥测信号、控制信号。

进一步地，射频前端的架构可适用于常用通信频段需求。

图1为本发明的星载通信系统微型化射频前端的框架图，包含：射频接口、连接器、功率分配器、接收腔体滤波器、低噪声放大电路、发射腔体滤波器、功率放大电路和隔离器。

图2为功率分配器示意图，采用3dB电桥实现功率分配，具有两路射频信号收发合一接口，支持卫星对天、对地收发天线布局模式需求。

射频前端集成的腔体滤波器，具有频率选择功能，接收腔体滤波器和发射腔体滤波器采用窄带多腔形式，带外抑制能力优于60dB。将发射腔体滤波器放置在功率放大电路的输入端，滤波器输入端功率可大大减小，可避免小体积腔体滤波器低气压放电难题。

图3为功率放大电路，功率放大器及印制板均烧结在金属结构上，优先内部匹配功率放大器，外部设置有匹配网络，用于性能调试。所输出的功率通过耦合器将一小部分功率用于功率检测，功率检测采用常规的二极管检波电路实现。该电路根据需要，可通过更换放大器和滤波器以实现不同功率或频率需求。在功率分配器和功放输出端设置有隔离器，用于改善之间的信号阻抗匹配。

图4为低噪声放大电路，腔体滤波器进行频率选择，采用了两级低噪声放大器对微弱信号放大，在每一级低噪声放大器后设置有LTCC带通滤波器，用于提高带外信号抑制能力。单个LTCC滤波器可提供20dB以上的抑制能力，体积小，可减少腔体滤波器的级数，从而减小体积。底噪放采用LDO进行供电，采用三端子滤波电容C1/C2对LDO输出电源进行滤波，C3用于LDO输入电源滤波。该方式可大大减少接收天线到低噪声放大器之间的差损，从而有效提高系统G/T值。

图5为射频前端的分腔示意图，图左边为功率分配器腔，用于天线射频端口和隔离器之间的连接点焊接。上半部分为射频接收部分，左边为隔离器和接收腔体滤波器，右边有低噪声放大电路和射频输出接口，该处每一级放大电路采用独立分腔，有限减少空间耦合。下半部分为发射通道部分，右边为发射腔体滤波器和射频输入端口，左边为功率放大电路和隔离器。射频接收部分和发射通道部分之间也完全隔离，减少之间的信号耦合。右侧接收和发射之间为低频连接器，用于电源接口、功率遥测接口、控制信号接口。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种星载通信系统微型化射频前端装置,其特征在于，包括：射频接口部件、连接器、隔离器部件、功率分配器、接收滤波器部件、发射滤波器部件、低噪声放大电路部件以及功率放大电路部件；

所述功率分配器与射频接口部件相连；

所述隔离器部件与功率分配器相连；

所述接收滤波器部件与隔离器部件相连；

所述功率放大电路部件与发射滤波器部件相连；

所述接收滤波器部件与低噪声放大电路部件相连；

所述接收滤波器部件采用腔体滤波器；

所述发射滤波器部件采用腔体滤波器；

所述射频前端集成的腔体滤波器具有频率选择功能，接收腔体滤波器和发射腔体滤波器采用窄带多腔形式，发射腔体滤波器放置在功率放大电路的输入端，能够使滤波器输入端功率减小；

所述功率放大电路包括功率放大器、印制板、耦合器、功率检测电路以及外部设置的匹配电路，功率放大器及印制板均烧结在金属结构上，优先内部匹配功率放大器，匹配网络用于性能调试；发射腔体滤波器输出的功率依次通过匹配网络与功率放大器，并通过耦合器将一小部分功率输出至功率检测电路，用于功率检测，功率检测电路采用二极管检波电路，并能够根据需要更换放大器和滤波器以实现不同功率或频率需求；在功率分配器和功率放大电路输出端之间设置有隔离器，用于改善之间的信号阻抗匹配；

所述低噪声放大电路采用两级低噪声放大器，用于放大微弱信号，在每一级低噪声放大器后设置有LTCC带通滤波器，用于提高带外信号抑制能力，低噪声放大电路采用LDO进行供电，采用三端子滤波电容C1/C2对LDO输出电源进行滤波，C3用于LDO输入电源滤波；

所述星载通信系统微型化射频前端装置还包括腔体，腔体左端为功率分配器腔，内置功率分配器，上端为射频接收部分，其左部为隔离器和接收腔体滤波器，右部设置低噪声放大电路和射频输出接口，所述每一级低噪声放大器采用独立分腔，能够减少空间耦合；下端为发射通道部分，其右部为发射腔体滤波器和射频输入端口，左部为功率放大电路和隔离器，所述射频接收部分和发射通道部分之间完全隔离，能够减少之间的信号耦合；腔体右侧在射频接收部分和发射通道部分之间设置低频连接器，用于电源接口、功率遥测接口、控制信号接口。

2.根据权利要求1所述的星载通信系统微型化射频前端装置,其特征在于，所述射频接口部件包括：天线端射频输入接口；

所述天线端射频输入接口与功率分配器相连。

3.根据权利要求1所述的星载通信系统微型化射频前端装置,其特征在于，所述射频接口部件包括：天线端射频输出接口；

所述天线端射频输出接口与功率分配器相连。

4.根据权利要求1所述的星载通信系统微型化射频前端装置,其特征在于，所述射频接口部件包括：通道端射频接口；

所述通道端射频接口与发射滤波器部件、低噪声放大电路部件分别相连。

5.根据权利要求1所述的星载通信系统微型化射频前端装置,其特征在于，所述低噪声放大电路部件采用超低噪声放大电路。

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