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卫星电视接收机高频头微波振荡器的稳频技术

2015-04-18   来源:互联网   点击:
在卫星电视接收机的高频头中,本机振荡器的工作频率很高,处在微波频段。根据下变频的要求,本机振荡频率与输入信号频率相差一个中频,第一中频的频率范围为950~1 450 MHz,对于C波段,通常采用高本振方案,

在卫星电视接收机的高频头中,本机振荡器的工作频率很高,处在微波频段。根据下变频的要求,本机振荡频率与输入信号频率相差一个中频,第一中频的频率范围为950~1 450 MHz,对于C波段,通常采用高本振方案,输入信号的频率范围为3.70~4.20 GHz,本振频率为5.15 GHz;对于Ku波段,通常采用低本振方案,输入信号的频率范围为11.70~12.20 GHz,本振频率为1.075 GHz。

由于高频头放置于室外,环境温度变化形成较大的温差,往往会使本振频率产生漂移,引起中频信号中心频率的偏移,从而产生"跑台"现象。因此,要求本振频率在不同的环境温度中(-30~+60℃)产生的最大频偏小于±2 MHz。

振荡器常用的稳频方法有3种:晶振倍频法、锁相环稳频法和高Q值谐振腔稳频法。

1、晶振倍频法

因为晶体工作频率一般不能很高,所以先在较低的频率上构成一个晶体振荡电路,然后利用非线性电路得到该振荡频率的高次谐波,通过选频回路选出该高次谐波分量,再进行放大。由于倍频的倍数较大,通常需要使用多级倍频器级联。这种稳频方式虽然能获得较高的稳定度,但结构复杂,体积大、效率低、谐波干扰大,仅在早期的微波通信中得到应用。

2、锁相环稳频法

锁相环稳频法产生振荡信号的原理如图2所示。微波振荡器由压控振荡器形成,在输出端取出一部分能量,经微波分频后,与一个晶体振荡器产生的基准频率进行相位比较,得到的误差信号经环路滤波器平滑滤波后,用来控制微波压控振荡器的控制电压,使得振荡器的频率与基准频率锁定。这种稳频方法可使微波振荡器的频稳度与晶振的频稳度保持在同一数量级上,效果最好,本振相位噪声最低,只是电路较复杂,成本较高,主要用于卫星数字电视、卫星数字通信等要求较高的场合。在25℃测试条件下,对于C波段、Ku波段单本振单极化数字宽带锁相环高频头,采用PLL锁相技术后,本振稳定性较好,一般本振频率稳定度为±100 kHz;对于C/Ku双波段双本振双极化单输出(或双输出)高频头,一般本振频率稳定度为±500 kHz。

3、高Q值谐振腔稳频法

高Q值谐振腔稳频法不需对振荡频率进行分频或倍频处理,而直接在工作频率上对振荡器进行稳频。稳频效果的好坏与高Q值谐振腔的Q值有关。Q值越高稳频效果越好,一般要求高Q值谐振腔的空载Q值高达几千甚至数万。在早期,为了获得高Q值、低温度系数的谐振腔,采用殷钢通过精密加工得到。这种波导腔体积大,成本高,随着新型微波陶瓷介质材料制造技术的进步,一种新型的微波介质谐振器得到广泛的应用。

这种微波介质谐振器采用低损耗、大相对介电常数(εr)的复合陶瓷材料制成。由于εr很高,使得介质材料中的电磁波在介质和空气的交界面上产生全反射或近似全反射,这种特性使得介质振荡器内部的能量产生电磁振荡,且不会穿过介质表面而迅速衰减。为了使介质谐振器的稳频效果更好,选用多种谐振模式中的高Q值模式,而抑制其他模式。通常介质振荡器厚度L应满足L<λg/2,λg为介质中的波长:
λg=λ/εr1/2

由于介质谐振器的εr很大,约35~45,因而介质中的波长很短,介质谐振器的体积很小。介质谐振器的固有谐振频率主要取决于介质的形状和尺寸,目前,常用的介质谐振器的形状有方形、圆柱形和圆环形,圆柱形用的最多。介质谐振器的固有谐振频率是指介质谐振器处于自由空间时的谐振频率,实际使用中,当它放置于其他介质材料或导体上时,其谐振频率就会改变,其原因是有一部分电磁场分布于其外表,当它靠近其他介质或导体时,其外部的电磁场分布规律就会发生变化,一般情况下,当它靠近金属导体时,谐振频率就会升高,而靠近介质材料时谐振频率就会下降。我们正是利用这一特性,微小调节金属导体与介质振荡器的距离,便可改变介质振荡器的谐振频率。

介质振荡器与其他电路(如微带电路)的耦合同样是利用介质振荡器外部电磁场分布特性来解决的。利用介质振荡器的磁场与微带电路上的微带线的交链实现能量的耦合,耦合的强弱可以通过改变二者的距离来调节,一般情况下,距离越小,耦合越强,但介质振荡器的有载Q值将会下降,使用中必须根据实际需要进行选择。

4、结束语

高Q值谐振腔稳频的介质振荡器的Q值高、体积小、稳定度系数可根据需要选择,且成本极为低廉,采用这种介质振荡器稳频的微波振荡器,无论在体积、复杂程度和成本上,都大大优于前两种方法,而且在性能上完全满足卫星电视接收的要求。因此,目前绝大多数卫星电视接收机的高频头本振都采用这种稳频方法。

作者:万云芳 冯祝

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