Technology Study
技术研究DCW
0 引言
在卫星通信系统中，矩形波导有较低的差损特性。在天线溃电网络、接收机等设备中，矩形波导作为三维结构的无源器件，得到广泛使用。有源电路如固态芯片一般是基于二维微带电路设计，在有源电路和无源波导集成的系统中，需要二维结构和三维结构之间的过渡，一般采用波导微带过渡的形式。 说到卫星通信，不得不说接收机，它是卫星通信下行链路建立的关键设备，接收机的噪声系数指标和天线的增益指标，直接决定系统的G/T值。而G/T值是衡量卫星通信系统下行链路的关键指标，决定系统接收信号的好坏，决定系统接收质量的好坏。接收机设计的关键就是低噪声放大器的设计，而低噪声放大器设计的关键，就是噪声系数指标和输入驻波特性。 低噪声放大器设计，需要根据低噪声管的管芯阻抗特性参数，设计相应的输入匹配以及相应的噪声匹配。设计一种匹配，设计起来比较容易实现，难就难在怎么把输入匹配和噪声匹配都设计好[1]。实现噪声匹配的时候，输入匹配也不差，这是一个矛盾的两个参数，往往把一个指标匹配好了，另一个指标要变差，反之也是如此。所以设计时需要到一个平衡点，让两者离最佳匹配点尽可能近，两者的指标都可以接受。 本文给大家介绍一种适用于卫星通信的Ku扩展频段低噪声放大器，采用波导到同轴再到微带线的形式设计无源过渡部分；采用最佳噪声匹配，同时优化输入匹配，设计有源放大部分。1 低噪声放大器设计
低噪声放大器设计原理图如图1所示。它由两部分组成：一个是无源电路部分——波导同轴微带过渡；另外一个是有源电路部分——低噪声放大。无源电路实现波导三维结构与微带平面二维结构之间的过渡；有源电
路实现对高频微弱信号的低噪声放大。
图1 低噪声放大器设计原理图
饱和聚酯在三维高频电磁仿真软件 HFSS里，建立了一种波导同轴微带探针过渡的 HFSS仿真模型，如图 2（a）所示，波导选用 WR-75标准波导。该模型在波导的E面中心插入同轴探针，通过调整同轴探针距波导短路面的距离、同轴探针插入的深度、同轴探针的尺寸等参数，优化端口输入驻波。
建模时，选用 20 mil厚度的 RO3003作为基板材料，选用聚四氟乙烯作为绝缘子，选用铜作为导体材料。将绝缘子的高度设置为 2 mm，绝缘子的直径设置为参数fei1，将探针的直径设置为参数 fei2，探针的高度设置为参数 h1，将波导短路面与探针的距离设置为参数 s。在HFSS中，改变各参数值，优化端口输入驻波。
优化后的端口输入驻波曲线如图 2（b）所示。在频率11.0 GHz–14.0 GHz的频带范围内，端口输入驻波小于 -20.0 dB。该模型可以将矩形波导中的 TE10模过渡到微带线的准 TEM波，性能良好。表 1列出了优化后的各参数值。
一种适用于卫星通信的低噪声放大器设计
刘其强，于 祥，陶辉华
（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210014）
轮胎标签
摘要：采用高频电路仿真软件ADS，结合高频电磁仿真软件HFSS，进行联合仿真，设计了一种低噪声放大器，适用于Ku频段卫星通信接收通道。在频率11.45 GHz-12.75 GHz范围内，噪声系数小于0.80 dB，端口输入驻波小于-17.0 dB，有一定的实用价值。
关键词：噪声系数；低噪声放大器；卫星通信
doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2021.02.002
中图分类号：TN73，TN 927+.2 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2021）02-0005-03 Design of a Low-noise Amplifi er for Satellite Communication Receive
LIU Qiqiang, YU Xiang, TAO Huihua
(Nanjing Panda Handa Technology Co., Ltd., Nanjing 210014, China)
Abstract:A Ku-band Low-noise Amplifier for satellite communication receive has been designed by ADS and HFSS. The wave port of S11＜-17.0 dB, NF＜0.80 dB in 11.45 GHz–12.75 GHz, which is useful in practice.
Keywords:noise factor; low-noise amplifier; satellite communication
图2（a ）
探针过渡模型
图2（b ）端口输入驻波曲线表1 各参数值（单位：mm
）
在电路仿真软件 ADS 中建立低噪声放大器的仿真模型，如图 3（a ）所示。添加低噪声放大器设计常
用的功能控件，如稳定性因子、频率扫描等。该低噪声放大器采用 3级低噪放管的结构形式：第一级的输入采用最佳噪声匹配，第一级和第二级间考虑最佳噪声匹配同时兼顾输入匹配，第二级和第三级间考虑最大增益匹配同时兼顾输出匹配，第三极输出匹配考虑最佳输出匹配 [2]。在设计输入匹配时，把波导同轴微带转换、输入匹配网络在 HFSS 中建模，仿真优化结果导成 s2p 文件[3]，在ADS 中建模引用，进行联合仿真。在高频，尤其到 Ku 频段或 Ka 频段，必须把影响输入匹配的各种因素考虑进去，包括结构的、空间耦合的等因素。根据以往的设计发现，这样设计仿真的结果和实际的测试结果吻合度较高。
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在频率 11.45 GHz–12.75 GHz 的频带范围内，输入驻波小于 -19.8 dB ，如图 3（b ）所示；噪声系数小于 0.60 dB ，如图 3（c ）所示；增益大于 34.25 dB ，如图 3（d ）所示。从仿真曲线看，该设计能够很好的满足使用要求。
根据仿真模型进行结构设计，绘制 PCB 图。进行结构设计时，考虑腔体的独立性，为了防止信号从一个腔体串扰到另一个腔体，防止自激产生，应该采取如下措施： （1）设计 3个小腔，每个腔体里放置一级放大器；腔体之间通过隔直电容连接；腔体盖上贴吸波材料。
（2）上下层分腔，电源板置于上层腔体，射频板置
于下层腔体。
图3（a ） ADS
仿真模型
图3（b ）
输入驻波曲线
图3（c ）
噪声系数曲线
图3（d ） 增益曲线
（3）腔体的自有频率尽量高，远离有用频率。根据以上仿真模型和 PCB 、腔体设计的注意事项，制作出了实物，图 4给出了 Ku 扩展频段低噪声放大器的实物图。该实物的外形尺寸是：60 mm ×38 mm ×38 mm 。输入采用标准矩形波导，型号 WR75；输出接口采用玻珠烧结，外接 2.92-K
接头。
图4 Ku 扩展频段低噪声放大器实物图（下转第10页）
（1）问题描述：通过对某地市全网低效小区全量分析，发现存在多数低效副载波未及时减容，高负荷区域由于扩容资源不足未能及时扩容，部分站点存在基带板空载，以及高能力基带板浪费等诸多问
题。资源调度不灵活，资源利用率不高，未能充分发挥现网资源能力。（2）实施情况：为有效提升现网资源利用率，开展了现网资源核查及灵活调度。一是低零小区整治，及时对无业务需求副载波进行减容，减容后资源调整到高负荷区域，累计完成小区减容 3，768个，扩容 2，344个；二是基带板调整，核查现网空载板件，及时拆除调整到需扩容区域，同时核查超配置板件进行及时替换调整，累计完成空载板件 132块拆除，超配置板件替换 221块；三是 D 频段搬迁，将 5G 安装替换下来的 D 频段设备搬迁到农村高负荷区域，解决容量问题，累计完成 231个D 频段小区搬迁。
（3）效果评估：通过低效小区治理及现网资源调度，取得显著效果，全年低效小区指标由 26.21%下降到 18.32%，降幅 7.89%，高负荷待扩容小区比例由1.7%下降到 0.38%，降幅 1.32%。如图 9所示。
3 结束语
综上所述，5G 网络建设初期，4G 容量问题仍然较为严峻，通过研究4/5G 协同组网下容量提升策略，不断提升5G 网络的业务承载能力来缓解4G 容量压力，同时深挖现网资源，提升资源利用率，达到运营商降本增效的目的，推动网络良性发展，提升用户满意度，以网络优势助力运营商高质量发展。
参考文献
[1] 胡家熙.基于深度学习辅助波束管理与5G 网络容量优化[J].信息通信技术与政策，2020（09）：91-96.
[2] 孟繁丽，程日涛.5G+4G 无线网络协同及组网关键技术探讨[J].电信工程技术与标准化，2020，33（06）：13-18.
[3] 徐永杰，杨健，王仔强.LTE 网络高负荷问题一体化解决方案研究[J].电信技术，2018（11）：41-44.
[4] 杜施默，周海骄，朱韬.5G 试商用区域2.6GHz 释放下的LTE 网络容量置换体系[J].电信技术，2019（07）：78-81.
光电限位开关
[5] 敬嘉亮.基于业务感知和区域价值的4G 网络容量规划分析[J].通讯世界，2019（07）：
78-81.
图9
隔离桩低效小区及高负荷变化图
图8 4/5G 业务量变化图
（上接第6页）
2 测试分析
利用矢量网络分析仪构建测试环境、测试增益和输入驻波特性。在卫星接收Ku 频段内，端口输入驻波小于 -17 dB ，增益大于29.3dB ，如图 5（a ）所示。
利用噪声系数分析仪，构建测试环境，测试噪声系数特性。在接收频带内噪声系数小于 1.03 dB ，减去接头损耗 0.2 dB ，真实值小于 0.80 dB ，如图 5（b ）所示。
从实测曲线可以看出，设计的 Ku 扩展频段低噪声
放大器具有带宽大、噪声低、端口输入驻波优的特点。
图5（a ）矢网实测曲线 图5（b ）噪声仪实测表脑根
3 结束语
本文设计的扩展频段低噪声放大器，适用于 Ku 频段卫星通信。在卫星接收 Ku 频段内，端口输入驻
波小于 -17 dB ，噪声系数小于 0.80 dB ，实测值和仿真值吻合度较好。该设计频带宽大、噪声低、输入驻波优，在卫星通信地面接收系统中，具有一定的实用价值；该设计可以用于 Ku 频段卫星通信的接收机、收发信机等产品中，有一定的推广价值；本文介绍的设计方法，对 Ka 频段的低噪声放大器的设计，有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] 张炜，冯全源.一种新型输入匹配结构在低噪声放大器中的应用[J].微电子学，2007（03）：425-427+431.
[2] 陈冠.折叠共源共栅低噪声放大器设计[D].成都：西南交通大学，2009. [3] 林富平.X 波段六位数字移相器研究[D].成都：电子科技大学，2009.
