射频设计中的传输线替代方案

在许多射频设计中，将低噪声放大器 （LNA） 放置在尽可能靠近天线的位置是标准做法，以在将接收到的微弱信号发送到前端电路的其余部分之前增强接收到的信号强度。这样做是为了最大限度地减少信噪比 （SNR） 的下降。原因很简单：克服天线和前端之间的同轴电缆中的信号衰减，并最大限度地减少从 LNA 到远程前端的传输路径添加的热噪声和其他噪声的影响。

天线上的典型 LNA 将提供 10 到 20 dB 的增益，噪声系数低于 1 dB；对于深空接收器等极端应用，LNA 和信号路径可能会过冷，以将自身产生的热噪声降低到接近零。将 LNA 放置在天线馈电处用于大型碟形天线以及消费产品，例如固定方向的家用电​​视接收器碟形天线（美国的 DISH 网络），甚至通过甚小孔径终端 （VSAT） 接入互联网天线，直径小于 3 米，安装在屋顶或房屋侧面（图 1）。LNA 由直流电供电，直流电通过同一根同轴电缆传输，该同轴电缆将放大后的射频信号从放大器向下传输；整个 LNA 组件通常称为低噪声模块 （LNB）。

到目前为止，这一切似乎都很简单，但是当你有一个数十米宽的可操纵天线并从深空探测器捕获令人难以置信的低功率信号时，情况就完全不同了。在这些情况下，即使是分数 dB 的信号损失或增加的噪声也是代价高昂的，而受极端温度影响的 LNA 会增加其他压力。此外，访问前端迂回是困难和尴尬的。

为了克服这个问题，已经设计了一种相对较新的方法。它已被用于美国宇航局戈德斯通天线站点设施的几个大型天线。它还在深空网络马德里综合体的 34 米 DSS-53 天线上使用，该天线于 2022 年 2 月正式启用（图 2）。它专为 Ka 波段接收 （31.8–32.2 GHz） 和发射 （34.2–34.7 GHz） 操作而设计。

可改装的波束波导 （BWG） 天线使用特殊的“馈电”布置，带有五个精密射频镜，将无线电信号沿管子从天线反射到地下室（图 3）。这些不仅仅是波导，因为它们实际上反射能量，因为光会从镜子反射，而不仅仅是限制和引导它。这种设计允许敏感的电子设备在气候受控的设备室中，而不是在室外。该布置不是“直线”镜面部分，而是使用射频镜进行几个直角转弯。

一系列反射镜将射频信号从馈电喇叭反射到放大器，在一个方便、有遮蔽的环境中；镜像路径也适用于上行链路方向。资料来源：ResearchGate

这实际上是一个除了 LNA 方面之外的“双向”故事。同一根天线搭配80kW发射机，发射和接收功能明显对齐。因此，大功率水冷式发射机和低噪声低温放大器的设计可以显着简化，因为这些系统不必像通常馈电的双反射器天线那样倾斜。随着新技术的发展，该配置还简化了设备的维护和修改。

当然，如果没有大量的仿真和测试，这种类型的设计就无法实现。在提交之前，在一个宽 6 米、高 6 米、长 18 米的微波消声室中安装了 BWG 测试结构，以验证概念验证。

在测试中，四分之一比例的抛物面镜（与全尺寸 34 米天线中使用的相比）由实心铝块加工而成，并用于一镜、二镜和三镜测试配置。

BWG 反射镜由铝块加工而成，具有必要的抛物面曲面，可实现紧密聚焦的反射。资料来源：喷气推进实验室

由于与其他方法相比，镜筒方法提供了许多潜在的好处，因此其设计人员实际上在研发天线中准备了两个独立的设计。首先，“旁路”设计将 BWG 置于现有立面之外，因此可以对其进行改造，或与现有系统并行使用。其次，新系统的“仅中心”设计将 BWG 放置在仰角轴承内的碟形中心。因此，它不允许旧式馈送安排。

如果您假设这些大碟形天线代表成熟的技术，并且唯一改进的领域是精确定位系统和射频电子设备，那么这种 BWG 技术表明仍有重大创新的空间。您可以在喷气推进实验室 （JPL） 深空通信的“第 7 章：34 米研发波束波导天线”和“第 8 章：34 米波束波导操作天线”中阅读所有技术细节和导航系列 （DESCANSO）书籍免费提供。整本书系列都是关于前沿设计的引人入胜的读物，以应对严峻的挑战场景。

您如何看待这种安排？您能否看到一个适用于 5G 和其他链路的小规模版本，因为需要加热、冷却和接入，暴露的电子设备（即使在非机械可操纵天线中也是如此）是一个问题？

文章作者：BILL SCHWEBER