天線輸電線路替代方案的「盒內思考」…

作者 : Bill Schweber,EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

為了提高接收訊號的強度,一般的RF設計是盡可能地在靠近天線之處設置低雜訊放大器(LNA),盡量減少傳送微弱的接收訊號到遠端的前端電路,從而減少SNR退化…

在許多射頻(RF)設計中,為了提高接收訊號的強度,標準的作法是盡可能地靠近天線的地方設置低雜訊放大器(LNA),以免於將微弱的接收訊號發送到前端電路的其他部份。此作法旨在儘量減少訊號雜訊比(SNR)的退化。理由很簡單:為了克服天線和前端之間同軸電纜的訊號衰減,並將從LNA到前端電路(位於遠端)之間傳輸路徑所增加的熱和其他雜訊的影響降至最低。

一般來說,天線的典型LNA可提供10dB到20dB的增益,其雜訊係數低於1dB;而針對如深空(deep-space)接收機等極端應用,LNA和訊號路徑可能過冷,因而能降低自發的熱雜訊至趨近於零。將LNA置於天線饋線上,主要運用在大型碟形天線和消費電子產品,如固定方向的家用電視接收機碟形天線——即美國的DISH網路——甚至透過極小孔徑終端(VSAT)天線接取至網際網路。這些VSAT天線的直徑在3公尺以下,多半被安裝在屋頂或房屋側面(1)。LNA由同一同軸電纜的直流電(DC)供電,該同軸電纜可將放大的RF訊號從放大器向下傳送;整個LNA組件通常被稱為低雜訊降頻器(LNB)。

圖1:使用頭端LNA並透過天線同軸電纜供電是消費用衛星天線的標準做法。(圖片來源:SatGist/Pearce Communication)

截至目前為止,這一切似乎都很簡單。然而,當您採用寬達幾十公尺可操縱方向的碟形衛星天線(Steerable Dish)以擷取來自深空探測器的超低功率訊號時,那就完全是另一回事了。在此情況下,即使是零點幾分貝的訊號損耗或雜訊增加都得付出極其昂貴的代價,而LNA受到極端溫度的影響也會帶來其他壓力。再者,存取前端電路更是艱澀難行。

為了克服此一問題,業界已經設計出一種相對較新的方法,並且已被用於美國太空總署(NASA)位於加州金石(Goldstone)天線基地的幾個大型天線上。此外,它還被用於NASA深空網路(Deep Space Network)位於馬德里通訊綜合體的34公尺DSS-53天線。該專為Ka波段的接收(31.8-32.2GHz)和發射(34.2-34.7GHz)運作而設計的天線已於2022年2月正式啟用(2)。

圖2:NASA位於馬德里深空通訊綜合體的34公尺DSS-53天線,已於今年2月正式啟用,專用於Ka波段的下行和上行運作。(圖片來源:SciTechDaily)

這種可改裝的波束波導(BWG)天線採用一種特殊的「饋電」配置,帶有五個精密的RF反射鏡,可讓無線電訊號沿著導管從天線反射到地下空間(3)。這些天線不僅僅作為波導,因為它們實際上能夠像光從鏡子中反射一樣地反彈能量,而不只是限制和引導能量。該設計使得敏感的電子元件可被安置在溫度受控的設備室中,而非置於戶外。該配置並不屬於「直線型」鏡像元件,而是利用RF反射鏡進行數次直角轉彎。

圖3:在隱蔽環境中透過一系列反射鏡將RF訊號從號角形饋電器(feedhorn)向下反射到放大器;上行方向的鏡像路徑也是如此。(圖片來源:ResearchGate)

除了LNA方面,這實際上是一個「雙向」操作。相同的天線亦被用於80kW發射器,其發射和接收功能顯然是一致的。因此,這有助於大幅簡化高功率水冷發射機和低雜訊低溫放大器的設計,因為這些系統並不需要像一般饋電的雙反射器天線那樣傾斜。隨著新技術的發展,此配置也簡化了設備的維護和修整過程。

當然,實現這一類型的設計還必須經過廣泛的模擬和測試。在交付之前,必須先將BWG測試結構安裝在一個寬6公尺、高6公尺且長18公尺的微波暗室中,以執行「概念驗證」(PoC)(4)。

圖4:四分之一比例模型的測試設置用於驗證BWG概念以及確認模擬結果。(資料來源:Jet Propulsion Laboratory)

為了進行測試,採用四分之一比例的抛物面反射鏡——用於與全尺寸34公尺天線中所使用的反射鏡進行比較。該抛物面反射鏡由實心鋁塊製成,可用於單鏡、雙鏡和三鏡的測試配置( 5)。


圖5:該BWG反射鏡由鋁塊製成,其抛物面弧度用於實現緊密聚焦反射。(資料來源:Jet Propulsion Laboratory)

相較於其他方法,這種「反射鏡-導管」(mirror-tube)的途徑提供了許多潛在的好處,其設計者在研發天線時其實準備了兩種獨立的設計。首先,「旁路」設計將BWG置於現有的仰角方位之外。如此一來即可將其加裝在現有系統上或者與現有系統並用。其次,「中心專用」(center-only)的新設計將BWG置於仰角方位內碟形天線的中央位置。因此,它不允許使用老式的饋電安排。

若您認為這些大型碟形天線代表成熟的技術,唯一需要改進之處是精密定位系統和RF電子技術,則表明此BWG技術仍有顯著的創新空間。您可以在一些研究報告中讀到所有的相關技術細節,例如在《噴氣推進實驗室(JPL)深空通訊和導航系列(DESCANSO)》(Jet Propulsion Laboratory (JPL) Deep Space Communications and Navigation Series (DESCANSO))一書中的「34公尺波束波導天線的研發」(The 34-Meter Research and Development Beam-Waveguide Antenna)以及「34公尺波束波導運轉天線」(The 34-Meter Beam-Waveguide Operational Antennas)等章節,詳細描述了因應各種嚴峻挑戰場景的先進設計。

您對於此配置有何看法?您是否看到較小規模的版本用於5G以及其他相關應用時,由於需要加熱、冷卻和接取而致使外露的電子元件(即使是非機械式的方向可操控天線)出現問題?

(參考原文:Thinking “inside the box” for a transmission-line alternative,by Bill Schweber)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年6月號雜誌

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