一种用于星载测控设备的上行通道电路的制作方法

本发明涉及卫星测控领域，尤其涉及一种用于星载测控设备的上行通道电路。

背景技术：

星载测控设备是指装载在卫星上用于完成星地测控、测距、测速等功能的设备，对于卫星在轨飞行有重要作用。设备中通常由天线、通道电路、基带电路、计算机、电源等组成。

由于受卫星载荷重量、空间、能耗等因素影响，希望星载测控设备的体积、重量、功耗等指标要满足小型化、轻型化和低功耗的设计要求，并且工作稳定可靠。对于上行通道电路而言，还要满足在通道带宽、通道增益等方面满足设计需求。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种用于星载测控设备的上行通道电路，解决现有技术中星载测控设备的上行通道电路在小型化、通用性、低功耗等方面的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种用于星载测控设备的上行通道电路，包括低噪声放大器、第一混频器和第二混频器，以及在所述第一混频器和第二混频器之间设置有中频滤波器，所述第二混频器之后还设置有基带滤波器和自动增益控制器，然后与数字基带电路电连接；所述低噪声放大器接收射频信号进行低噪声放大，再经过所述第一混频器进行第一次下变频得到中频信号，再由所述中频滤波器对所述中频信号滤波，经过所述第二混频器进行第二次下变频得到基带信号，然后再由所述基带滤波器进行滤波和自动增益控制器进行自动增益调控后输出所述基带信号。

在本发明用于星载测控设备的上行通道电路另一实施例中，所述第一混频器和第二混频器由同一本振电路分别产生的射频本振信号和中频本振信号进行混频。

在本发明用于星载测控设备的上行通道电路另一实施例中，所述低噪声放大器之前还级联设置有第一级射频滤波器，所述低噪声放大器之后还级联设置有第二级射频滤波器，所述第二级射频滤波器与所述第一混频器之间还设置有第二级射频增益放大器。

在本发明用于星载测控设备的上行通道电路另一实施例中，在所述中频滤波器与所述第二混频器之间设置有中频放大器。

在本发明用于星载测控设备的上行通道电路另一实施例中，所述射频信号、中频信号、基带信号，以及射频本振信号和中频本振信号均为基频的整数倍。

在本发明用于星载测控设备的上行通道电路另一实施例中，所述低噪声放大器包括芯片tqp3m9037，第一混频器包括芯片max2681，第二混频器包括芯片ad8347，第一级射频滤波器包括芯片cmf43c2031c03a，第二级射频滤波器包括芯片cmf43c2031c03a，第二级射频增益放大器包括芯片ecg001f-g，所述中频滤波器包括芯片ta0424a，所述中频放大器包括芯片ecg001f-g。

在本发明用于星载测控设备的上行通道电路另一实施例中，所述上行通道电路布设呈倒u型的两联通的腔体中，在第一腔体中设置有所述芯片cmf43c2031c03a、芯片qp3m9037、芯片cmf43c2031c03a、芯片ecg001f-g、芯片max2681，在第二腔体中设置有所述芯片max2681、芯片ta0424a、芯片ecg001f-g和芯片ad8347。

在本发明用于星载测控设备的上行通道电路另一实施例中，所述上行通道本振电路包括芯片si4133，由时钟发生器输出的时钟信号输入到所述芯片si4133的xin端，所述芯片si4133的rfout端输出所述射频本振信号，所述芯片si4133的ifout端输出所述中频本振信号。

本发明的有益效果是：本发明公开了用于星载测控设备的上行通道电路。该上行通道电路包括低噪声放大器、第一混频器、中频滤波器、第二混频器，以及在第二混频器之后还设置有基带滤波器和自动增益控制器，然后与数字基带电路电连接，第一混频器和第二混频器由同一本振电路分别产生的射频本振信号和中频本振信号进行混频。该通道电路的通道增益可以通过设置匹配衰减器和多级增益放大器进行调节，并且该下行通道电路选取的芯片体积小、功耗低，印制板电路包括两个联通的腔体，芯片在其中布设紧凑，节省空间，具有小型化和电磁兼容好的优势。

附图说明

图1是根据本发明用于星载测控设备的上行通道电路一实施例的组成框图；

图2是根据本发明用于星载测控设备的上行通道电路一实施例中的时钟电路原理图；

图3是根据本发明用于星载测控设备的上行通道电路一实施例中的上行通道本振电路图；

图4是根据本发明用于星载测控设备的上行通道电路一实施例中的第一级射频滤波器和低噪声放大器电路图；

图5是根据本发明用于星载测控设备的上行通道电路一实施例中的第二级射频滤波器和第二级射频增益放大器电路图；

图6是根据本发明用于星载测控设备的上行通道电路一实施例中的第一混频器电路图；

图7是根据本发明用于星载测控设备的上行通道电路一实施例中的中频滤波器和中频放大器电路图；

图8是根据本发明用于星载测控设备的上行通道电路一实施例中的第二混频器电路图；

图9是根据本发明用于星载测控设备的上行通道电路一实施例中的滤波网络电路图；

图10是根据本发明用于星载测控设备的上行通道电路一实施例中的通道组成框图；

图11是根据本发明用于星载测控设备的上行通道电路一实施例中的电路印制板布设图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1显示了本发明用于星载测控设备的上行通道电路一实施例的流程图。在图1中，包括低噪声放大器10、第一混频器11和第二混频器12，以及在所述第一混频器11和第二混频器12之间设置有中频滤波器13，所述第二混频器12之后还设置有基带滤波器14和自动增益控制器15，然后输入到由数字基带电路16。低噪声放大器10接收来自地面的上行射频信号进行低噪声放大，再经过所述第一混频器11进行第一次下变频得到中频信号，再由所述中频滤波器13对所述中频信号滤波，经过所述第二混频器12进行第二次下变频得到基带信号，然后再由所述射频滤波器14进行滤波和自动增益控制器15进行自动增益调控后输出所述基带信号。

优选的，所述第一混频器11和第二混频器12由同一上行通道本振电路17分别产生的射频本振信号和中频本振信号进行混频。

优选的，图2显示了时钟电路产生的频率关系说明图。可以看出由晶振信号源610输出的10mhz振荡信号经过时钟发生器612后一路产生80mhz的方波信号给数字基带电路，另外就是产生频率相同的两路时钟信号，频率为4f0，分别输出给上行通道本振电路613和下行通道本振电路614，上行通道本振电路613经过其中的锁相环路又分别产生射频本振信号133f0和中频本振信号87f0，下行通道本振电路614经过其中的锁相环路又分别产生第一本振信号13f0和第二本振信号225f0。从中可以看出，该时钟电路都是基于同一个晶振信号源610经过多次倍频而产生不同频率的本振信号，并且这些本振信号以同一个基频f0为参考，并且产生的频率是是该基频的整数倍。

优选的，图3显示了上行通道本振电路实施例的电路图。该通道本振电路包括芯片si4133。由该芯片构成锁相环本振电路，射频输出频率范围为0.9ghz-1.8ghz或者0.75ghz-1.5ghz，中频输出频率范围为62.5mhz-1000mhz，输出功率范围为-7dbm-0dbm，参考频率最高到26mhz，工作电压为2.7-3.6v，工作电流18ma。输入的时钟信号ref_d经过耦合电容c56输入到该芯片的xin端，该芯片产生的射频本振信号dlo_rf由rfout端经串联的电感l18和电容c42而输出，产生的中频本振信号dlo_if由ifout端经串联的电感l34和电容c109而输出。

另外，也可以看出该芯片si4133的sdata端和sclk端是用于输入频率控制字，可以分别对rfout端和ifout端输出的频率进行设置。

优选的，如图4所示，所述低噪声放大器10包括芯片tqp3m9037，该放大器芯片在2ghz处噪声系数为0.6，增益19db，输出1db压缩点功率为16dbm，使用3.3v供电，电流44ma。

优选的，在芯片tqp3m9037之前先进行滤波，来自地面的上行射频信号被天线接收以后，经过介质滤波器cmf43c2031c03a进行滤波，该滤波器称之为第一级射频滤波器。该芯片只有三个引脚，体积小，并且属于无源滤波，功耗小。该滤波器属于阻塞滤波器，以对发射机从天线耦合接收通道的强信号进行滤波，防止接收机饱和。然后经过由电容c27、c116和电感l38组成的匹配网络，该匹配网络是由电容c27和c116串联而成，电感l38的一端接入电容c27和c116电连接处，另一端则接地。这种结构的匹配网络还可以替换为电阻组成匹配衰减网络，用于调控通道增益。电容c116的另一端作为该匹配网络的输出端与芯片tqp3m9037的射频输入端rfi电连接，芯片tqp3m9037的射频输出端rfo则电连接电容c117，进一步由电容c117向后一级输出经过低噪声放大的射频信号。另外，芯片tqp3m9037的射频输出端rfo还通过电源滤波网络接入到+3.3v直流电压，该电源滤波网络包括电容c114、c115和电感l37，电源滤波网有利于滤除电源带来的电源波动干扰，以及串扰的其他干扰信号，提高通道电路的电磁兼容性，其中电容c114、c115和电感l37共同接入到+3.3v直流电压，电容c114、c115的另一端均接地，电感l37的另一端则接芯片tqp3m9037的射频输出端rfo。

进一步的，如图5所示，图4中芯片tqp3m9037的射频输出端rfo电连接电容c117后又进一步接入到图5中u2介质滤波器cmf43c2031c03a的输入端。该滤波器称之为第二级射频滤波器，主要是对镜像分量进行抑制，同时可以对发射泄露的信号进行进一步滤波。经过滤波后其输出端电连接电容c148接入到芯片ecg001f-g的输入in端，该芯片属于对射频信号的增益放大器，即在所述第二级射频滤波器与所述第一混频器之间还设置有第二级射频增益放大器。该芯片工作频段为dc～6ghz，增益20db@2ghz,噪声系数3.4db，输出1db压缩点功率+12.5dbm。+3.4v供电，电流30ma。因此对输入的信号进行20db的增益放大，芯片ecg001f-g的输出out端电连接电容c23，同时，该输出out端也通过由电感l52、c150、c151组成的电源滤波网络，电源滤波网有利于滤除电源带来的电源波动干扰，以及串扰的其他干扰信号，提高通道电路的电磁兼容性，以及分压电阻r3而接入直流+5v电压，而在该输出out端的直流电压为3.4v。

进一步的，如图6所示，图5中芯片ecg001f-g的输出out端电连接电容c23后接入到由电容c37、c38和电感l14组成的匹配网络，电容c37、c38串联，电感l14的一端接入电容c37和c38串接处，另一端则接地，电容c38的另一端接入到芯片max2681的射频输入端rfin。该芯片的本振端lo则通过耦合电容c34接入射频本振信号dlo_rf。射频信号与射频本振信号经过该芯片max2681混频以后由该芯片的ifout端输出中频信号。还可以看出，该芯片max2681的电源端vcc通过由电容c35、c36和电感l27组成的电源滤波网络接入+3.3v直流电源。电源滤波网有利于滤除电源带来的电源波动干扰，以及串扰的其他干扰信号，提高通道电路的电磁兼容性，该芯片max2681的/shdn端与电源端vcc电连接。该芯片max2681的ifout端还通过电感l13与电源端vcc电连接，并且还通过电容c39进一步与后一级电路连接。该芯片max2681的rfin端和lo端的工作频率400mhz～2500mhz，ifout端的工作频率10mhz～500mhz，其变频增益约为8db，输入三阶截点1dbm，噪声系数12.7db，2.7v～5.5v供电，电流8.7ma。

进一步的，如图7所示，图6中芯片max2681的ifout端通过电容c39与图7中电容c40电连接，然后接入到声表滤波器芯片ta0424a的输入端，该芯片为无源滤波，用于抑制混频器芯片max2681产生的杂散，也称之为中频滤波器。芯片ta0424a的输出端又经耦合电容c4与放大器芯片ecg001f-g的输入in端电连接，该芯片对下变频后的中频信号进行增益放大，因此，在所述中频滤波器与所述第二混频器之间设置有中频放大器。该芯片的工作频段为dc～6ghz，增益20db@2ghz,噪声系数3.4db，输出1db压缩点功率+12.5dbm。+3.4v供电，电流30ma。因此对输入的信号进行20db的增益放大，芯片ecg001f-g的输出out端电连接电容c1而与后一级电路连接，同时，该输出out端也通过由电感l1、c32、c61组成的电源滤波网络，电源滤波网有利于滤除电源带来的电源波动干扰，以及串扰的其他干扰信号，提高通道电路的电磁兼容性，以及分压电阻r2而接入直流+5v电压，而在该输出out端的直流电压为3.4v。

进一步的，如图8所示，图7中芯片ecg001f-g的输出out端电连接电容c1后，与图8中的电阻r20和电容c48电连接，然后通过电容c48耦合输入到正交解调器芯片ad8347的rfip端，该芯片ad8347集成了中频混频及中频放大器、agc等功能，其中频频率带宽0.8ghz-2.7ghz，中频带宽最大可到65mhz，2.7～5.5v供电，电流64ma。由图8还可以看出中频本振信号dlo_if经过电容c63、c64和电阻r25组成的滤波网络后，输入到该芯片ad8347的loip端和loin端，用于进一步与rfip端输入的中频信号进行下变频混频。该芯片的qopp端和qopn端分别通过电容c159和c160输出经过经过下变频后两路基带信号if-out和if+out。

另外，在图8中，该芯片的vref端还通过电阻r17与vdt2端电连接，以及与qain端电连接，而在qmxo端则通过电容c52接入到外围滤波网络w1的一端，该外围滤波网络w1的另一端则接入到该芯片的qain端，以及通过电阻r22接入到vdt1端。另外，这里的vagc端电连接电阻r18后与vgin端电连接，这种电连接方式使得该芯片工作在增益控制模式状态，可随外部控制电压而改变增益的大小，而vgin又进一步电连接电阻r29后接受外部增益控制电压。

图9显示的是外围滤波网络w1，该滤波网络包括3个子网络，其中，该滤波网络的输入端，也是其中第一子网络的输入端电连接电容c62的一端，电容c62并联有电感l31，电容c62的这一端还串联电感l19后接地，电容c62的另一端串联电感l20后接地，电容c62的另一端也是作为该第一子网络的输出端连接到第二子网络的输入端。

第二子网络的输入端电连接到电阻r67一端，电阻r67与第一网络的输出端电连接处串联一个电阻r66后接地，电阻r67的另一端串联电阻r68后接地，电阻r67的另一端也是作为第二子网络的输出端连接到第三子网络的输入端。

第三子网络的输入端电连接电感l21一端，电感l21的两端并联电容c65，电感l21这一端还串联电容c66后接地，电感l21的另一端串联电容c67后接地；电感l21与电容c67的电连接处还与电感l22一端电连接，电感l22并联电容c73，电感l22的另一端串联电容c68后接地，电感l22的另一端也是作为第三子网络的输出端连接电容c69，电容c69的另一端则作为该整个滤波网络的输出端。

对于整个上行通道电路而言还需要考虑通道增益要能够满足对信号电平的要求，同时还要兼顾增益放大会对元器件的非线性影响，因此，在整个上行通道电路中还重点对射频部分进行了多级滤波和多级放大，并且还设置了用于调整整个通道增益的衰减网络。优选的，在图1所示实施例的基础上，如图9所示，输入的射频信号的频率为221f0，信号的功率电平为-105dbm～-52dbm，经过介质滤波器cmf43c2031c03a后有-1db的损耗，用于调控的匹配衰减器s1可以根据需要来进行设置，由图4可知该匹配衰减器s1是由电容c27、c116和电感l38组成的匹配网络，在保持电路结构不变的情况下，可以将电容c27、c116和电感l38用电阻来替换，这样构成的是匹配衰减网络，用于调控整个通道的增益。并且这种替换只需更换将电容、电感用电阻替换，这些电容、电感和电阻采用相同的贴片封装结构，不会对pcb电路板有结构上的特殊需要，同时增强了调整通道增益的灵活性。低噪声放大器10包括芯片tqp3m9037，该放大器芯片提供增益19db，对应的射频信号的功率电平为-88dbm～-34dbm。

进一步经过射频滤波器l2，即对应图4中的介质滤波器cmf43c2031c03a，有-1db的损耗，然后再经过射频增益放大器d1，对应图4中的芯片ecg001f-g，有20db的射频增益。用于调控的匹配衰减器s2可以根据需要来进行设置，由图5可知该匹配衰减器s2是由电容c37、c38和电感l14组成的匹配网络，同样该匹配网络可以在电路结构不变的情况下，可以将电容c37、c38和电感l14用电阻来替换，也用于调控整个通道的增益。混频器11对应芯片max2681，该芯片有5db的增益，中频滤波器13对应声表滤波器芯片ta0424a，该芯片有-5db的衰减，然后再经过射频放大器d2，对应增益放大器芯片ecg001f-g有20db的射频增益。这样在进入第二混频器12之前，信号的功率电平变化量是-1+20+5-5+20＝39db的增益，因此对应的信号的功率电平范围是-49dbm～5dbm。第二混频器12对应芯片ad8347，该芯片集成了agc的功能，能够将输入的信号电平控制在-5dbm的恒定功率值。

另外，从频率变换的角度而言，该上行通道电路采用了整数倍的变频方案，即所述射频信号、中频信号、基带信号，以及射频本振信号和中频本振信号均为基频的整数倍，这里基频用f0来表示。从图10可以看出射频信号的频率为221f0，本振电路对输入的参考频率4f0进行倍频后输出两路本振信号，即射频本振信号和中频本振信号，其中射频本振信号对应的频率为133f0，中频本振信号对应的频率为87f0，经过混频器11第一次下变频后，输出信号的频率是88f0，然后再经过混频器12第二次下变频后，输出两路正交的信号，这两路信号的频率均为f0，只是载波相位为正交的，分别用f0+和f0-来表示。通过这种整数倍的变频方案可以合理选择基频的频率参数f0的实际值，增强了该上行通道电路的通用性。

图11显示了该上行通道电路的印制电路板的布设图，可以看出这些电路组成主要布设在倒u型通道内，该布设图显示有u14对应芯片cmf43c2031c03a，u4对应芯片qp3m9037，u2对应的芯片cmf43c2031c03a，u33对应芯片ecg001f-g，u5对应芯片max2681，u6对应的芯片ta0424a，u9对应芯片ecg001f-g，u8对应芯片芯片ad8347。这些芯片也与图4至图8中的芯片相对应，而该结构显示出整个通道电路具有小型化的特点，是按照上述上行通道电路组成的级联关系进行布设，为了在有限的空间内布设这些芯片，采用了腔体划分的结构，可以看出其中的u14、u4、u2、u33和u5在第一腔体q1中，主要完成射频的放大和滤波，以及第一次下变频，u6、u9、和u8在第二腔体q2中，主要完成中频的滤波和增益放大，这两个腔体既有一定的独立性，同时也进行通道级联，同时还满足在有限空间内合理的布局，满足了小型化的需求。

另外，从功耗估算来看，上行通道电路主要的芯片有：低噪声放大器芯片qp3m9037是3.3v供电，电流45ma，单片功耗148.5mw；芯片ecg001f-g是3.3v供电，电流30ma，单片功耗99mw，使用两片，耗电198mw；芯片max2681是3.3v供电，电流9ma，单片功耗29.7mw；芯片ad8347是5v供电，电流64ma，单片功耗320mw；上行pll芯片si4133是3.3v供电，电流20ma，单片功耗66mw。上行通道的整体功耗估算为762.2mw，显示具有明显的低功耗特点。

由此可见，本发明公开了用于星载测控设备的上行通道电路。该上行通道电路包括低噪声放大器、第一混频器、中频滤波器、第二混频器，以及在第二混频器之后还设置有基带滤波器和自动增益控制器，然后与数字基带电路电连接，第一混频器和第二混频器由同一本振电路分别产生的射频本振信号和中频本振信号进行混频。该通道电路的通道增益可以通过设置匹配衰减器和多级增益放大器进行调节，并且该下行通道电路选取的芯片体积小、功耗低，印制板电路包括两个联通的腔体，芯片在其中布设紧凑，节省空间，具有小型化和电磁兼容好的优势。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。