淺談高頻頭原理及其研究

張學(xué)兵

【摘 要】隨著衛(wèi)星廣播通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星廣播接收高頻頭在民用和專業(yè)領(lǐng)域的使用也越來越廣泛。本文介紹了廣播衛(wèi)星接收高頻頭的功能及各項特性參數(shù)，對各種類型的高頻頭進(jìn)行了詳細(xì)的分類介紹，作者還結(jié)合實際工作分析了高頻頭損壞原因，提出了在使用中的注意事項，并將高頻頭在日常工作中的常見故障和處理方法進(jìn)行了總結(jié)，供同行們參考。

【關(guān)鍵詞】高頻頭 功能 分類 常見故障

1 前言

衛(wèi)星廣播接收高頻頭（以下簡稱高頻頭）是衛(wèi)星廣播電視節(jié)目接收系統(tǒng)中的一個很重要的元件，它的性能的好壞直接影響著衛(wèi)星接收節(jié)目的質(zhì)量。了解高頻頭的原理和性能，并對其進(jìn)行科學(xué)地維護，在廣播電視節(jié)目安全傳輸?shù)捏w系中起著至關(guān)重要的作用。

2 高頻頭功能及原理

衛(wèi)星電視接收機高頻頭（LNB）又稱低噪聲放大變頻器，安裝在衛(wèi)星天線上，屬室外單元。高頻頭的功能如下：

（1）對信號進(jìn)行低噪聲寬頻帶放大；（2）是對信號進(jìn)行下變頻；（3）中頻放大。

低噪聲放大要求噪聲系數(shù)低，增益較高，對衛(wèi)星天線接收到的微弱的衛(wèi)星信號進(jìn)行有效放大，提高接收系統(tǒng)的信噪比。下變頻是將高頻信號變?yōu)橹蓄l信號，避免信號頻率太高造成饋線損耗過大和高頻輻射嚴(yán)重。

高頻頭由波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器、微波低噪聲放大器（LNA）、微波混頻器、第一本振和第一中頻前置放大器構(gòu)成。經(jīng)LNA放大后的信號送入下變頻器進(jìn)行變頻，產(chǎn)生第一中頻信號通過前置一中放放大后送到衛(wèi)星接收機，高頻頭所使用的直流穩(wěn)壓電源由衛(wèi)星接收機或有源功分器通過第一中頻電纜提供，在高頻頭內(nèi)部有一個直流/直流變換器，將經(jīng)過二次穩(wěn)壓后的正電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)電壓輸出。其電路工作框圖如下圖1。

3高頻頭的特性參數(shù)

高頻頭是整個衛(wèi)星接收系統(tǒng)中極為重要的組成部分之一，維護人員必須要熟練的掌握高頻頭的各項特性參數(shù)，以便于在日常維護工作順利開展。

3.1輸入頻率

輸入頻率是指高頻頭所能接收到的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的下行頻率范圍。根據(jù)接收波段不同，可分為C 波段和Ku波段。其中，C波段的輸入頻率有3.4GHz-4.2GHz和3.7GHz-4.2GHz兩種，因前者頻率范圍比后者寬，應(yīng)優(yōu)先選用。Ku波段接收頻率范圍為10.7GHz-12.75GHz；按照接收頻率高，范圍大又將其分為低頻段（10.7-11.8GHz）和高頻段（11.7-12.75GHz）。

3.2輸出頻率

輸出頻率是指衛(wèi)星下行頻率與高頻頭本振混頻后所產(chǎn)生的信號中頻頻率。通常有950 MHz-1450 MHz、950 MHz-1750 MHz以及950 MHz-2150 MHz等幾種，其中950 MHz-2150 MHz是目前C波段、Ku波段所通用的。選擇高頻頭時應(yīng)使信號輸出頻率在接收機輸入頻率范圍之內(nèi)，否則部分信號收不到。輸出頻率（即信號中頻頻率）計算方法如下：

C波段：輸出頻率=本振頻率-下行頻率

Ku波段：輸出頻率=下行頻率-本振頻率

3.3本振頻率

本振頻率是指高頻頭內(nèi)部的本機振蕩器產(chǎn)生的固定頻率。

大部分C波段高頻頭的本振頻率為5150 MHz，也有雙本振（5150 MHz和5750 MHz）。Ku波段的本振頻率較多，有 9.75 GHz、 10.0 GHz、 10.6 GHz、 10.75 GHz、11.25 GHz、11.30 GHz等，雙本振需配合0/22KHz電子脈沖切換開關(guān)來使用。

3.4輸入阻抗

高頻頭的輸入阻抗指的是耦合裝置處的阻抗，也就是探針或小環(huán)處的阻抗數(shù)值。輸入阻抗為50歐姆，

3.5輸出阻抗

高頻頭的輸出阻抗必須和衛(wèi)星接收機的輸入阻抗相一致，這樣才能保證阻抗匹配。輸出阻抗為75歐姆。

3.6駐波比

在工程上，一般采用電壓駐波比來描述阻抗匹配的狀況，根據(jù)傳輸線理論，阻抗不匹配時，饋線上就會有行波的同時也會有駐波存在，饋線上的電壓波峰和波谷值之比，就是電壓駐波比（VSWR）。高頻頭電壓駐波比的典型數(shù)值在2-2.5左右。匹配阻抗?fàn)顩r越差，反射就越大，越容易引起誤碼。

3.7噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)指的是放大器輸入端（高頻頭內(nèi)有低噪聲放大器）的信噪比與輸出端信噪比的比值，通常C波段噪聲系數(shù)用0 K表示。如25O K、17O K、13O K等，其數(shù)值越小越好；而在Ku波段噪聲系數(shù)則用dB（分貝）表示，如0.8 dB、0.6 dB、0.5 dB等，其數(shù)值也是越小越好。噪聲系數(shù)越小，則表示信號還原程度越高，接收節(jié)目音質(zhì)越好。

3.8增益

增益用分貝表示，常見的一般多為60 dB，精品高頻頭的增益一般均在65 dB以上，此數(shù)值偏高一點好，但也不能太高，否則系統(tǒng)會產(chǎn)生自激而引發(fā)不穩(wěn)現(xiàn)象。

4高頻頭的分類

高頻頭按外部結(jié)構(gòu)形狀劃分，可分為單極化分體式和雙極性饋源一體化（LNBF）兩種，其中雙極性饋源一體化高頻頭種類較多；按本振方式可分為單本振和雙本振兩種；按輸出端口可分為單輸出、雙輸出、多輸出等，下面就將常見的幾類高頻頭進(jìn)行分類闡述。

4.1單極化分體式高頻頭

單極化分體式高頻頭的波導(dǎo)腔體里，只有一個極化振子，也稱極化探針。只能接收一種極化信號，如要接收另一種極化信號，需將高頻頭旋轉(zhuǎn)90°。單極化高頻頭的內(nèi)部由于沒有極化轉(zhuǎn)換電路，因此信號耗損較小，增益和穩(wěn)定性較高。

4.2雙極性饋源一體化高頻頭

4.2.1雙極性單本振單輸出高頻頭

雙極性單本振單輸出高頻頭其波導(dǎo)管內(nèi)部有兩個互相垂直探針，分別接收水平（H）、垂直（V）信號，其間還有一個橫棒為隔離針，起極化隔離作用。

雙極性單本振單輸出高頻頭，可以看成是兩個單極化分體式高頻頭合用一個饋源，并且將13/18V電子切換開關(guān)電路引入到腔體內(nèi)部，自動識別接收機送來的極化電壓是18V還是13V，以選擇水平或垂直的極化探針工作，從而達(dá)到雙極性單輸出的目的。

4.2.2雙極性雙本振單輸出高頻頭

雙極性雙本振單輸出高頻頭有C波段和Ku波段之分，兩種高頻頭工作原理和應(yīng)用范圍是大相徑庭的。C波段雙極性雙本振單輸出高頻頭，主要用于C波段信號一星多機的接收；而Ku波段雙極性雙本振單輸出高頻頭，則用于Ku波段全頻帶信號的接收。

（1）C波段雙極性雙本振單輸出高頻頭普通的C波段雙極化單本振高頻頭，一般只有一個本振頻率5150MHz。當(dāng)節(jié)目設(shè)置水平極化時，接收機向高頻頭饋送18V電壓；垂直極化時，饋送13V電壓。高頻頭通過識別工作電壓，使相應(yīng)的極化探針工作，所以高頻頭只能工作在一種極化方式里，不是水平就是垂直狀態(tài)。

雙極性雙本振C波段高頻頭是兩個單本振高頻頭組合而成，采用5150MHz、5750MHz兩個本振頻率對H、V極化信號作分開處理，兩個本振頻率相差600MHz，足以使兩種極化信號的中頻頻率拉開距離。這樣在3.6—4.2GHz范圍內(nèi)的兩個極化信號，就被分別變頻為950——1550MHz和1550-2150MHz內(nèi)互不重疊的中頻頻率，從而實現(xiàn)共用一根饋線傳送，配合接收機就可同時收到兩個極化的信號。此時接收機識別到的只是不同頻率的信號而已，與極化設(shè)置是水平，還是垂直沒有關(guān)系。

使用雙極性雙本振高頻頭時，接收機的本振設(shè)置很重要：一般水平節(jié)目的本振設(shè)5150MHz，垂直節(jié)目設(shè)5750MHz。水平節(jié)目設(shè)置與一般的常規(guī)設(shè)置沒有區(qū)別，而垂直節(jié)目5750MHz本振極化信號，如接收機中本振仍用5150MHz，則下行頻率要減去600MHz。

（2）Ku波段雙極性雙本振單輸出高頻頭。Ku波段雙極性雙本振單輸出高頻頭，內(nèi)置0/22kHz切換電路，通過衛(wèi)星接收機輸出的22kHz脈沖來分別選擇其低、高本振；同時還通過衛(wèi)星接收機的13/18V電壓切換水平或垂直極化的衛(wèi)星信號，實現(xiàn)Ku波段節(jié)目全頻帶接收。

在Ku波段雙極性雙本振單輸出高頻頭里，只允許有一個本振電路、一個極化信號在工作，這也是和C波段雙極性雙本振單輸出高頻頭的本質(zhì)區(qū)別。

4.2.3 雙極性單本振雙輸出高頻頭

（1）C波段雙極性單本振雙輸出高頻頭。C波段雙極性單本振雙輸出高頻頭，兩路輸出端口分別輸出水平、垂直極化信號，兩路端口可以同時工作，但每一路端口只能選擇其中的一種極化信號。如配合二進(jìn)（H、V）四出或二進(jìn)六出等切換開關(guān)，可為四臺、六臺或更多數(shù)字衛(wèi)星接收機提供無干擾接收信號。

（2）Ku波段雙極性單本振雙輸出高頻頭。Ku波段雙極性單本振雙輸出高頻頭是將兩個獨立的高頻頭電路做在同一印制電路板上，共用穩(wěn)壓電路和振蕩電路，并共用一副饋源和探針。能夠同時接收雙極化衛(wèi)星信號，并分兩路獨立輸出，每路均可進(jìn)行水平、垂直切換，互不影響，信號損耗極小，參數(shù)穩(wěn)定性高。

5高頻頭的損壞的原因及日常維護

高頻頭的損壞原因較多，如能做好防護，并加強日常的維護，可以大大延長高頻頭的使用壽命，并使其工作更加穩(wěn)定。

5.1高頻頭的損壞原因

高頻頭是長期工作在露天的有源電子部件，產(chǎn)生故障的原因有慢性的，如雨水銹蝕，也有瞬間的，如雷擊、浪涌（電壓和電流）沖擊。

雨水銹蝕：長期日曬雨淋的LNB，如密封盒密封性能不良，易滲水，產(chǎn)生接觸不良直至損壞。所以不能隨便拆卸，最好外加防護罩。

雷電擊壞：這是常見的現(xiàn)象，尤其是在多雷地區(qū)、多雷季節(jié)，必須做好天饋系統(tǒng)的防雷措施。

浪涌電壓、電流沖擊：在供電電壓波動較大的地區(qū)，在室內(nèi)設(shè)置的交流穩(wěn)壓器和電源進(jìn)線的質(zhì)量及布局有問題時，則常會發(fā)生浪涌沖擊損壞。

5.2在日常維護工作中，需要做到以下幾方面：

（1）定期檢查高頻頭固定螺釘以及高頻電纜接頭（F頭）是否松動，電纜接頭防水膠帶是否脫落，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。（2）遇到下雪天氣時，要及時清除饋源及高頻頭上的積雪。

（3）在拆卸高頻頭電纜時，要關(guān)掉衛(wèi)星廣播接收機，防止電纜供電回路短路損壞高頻頭。（4）做好天線的接地并定期檢查接地，防止雷電擊壞高頻頭。

5.3高頻頭維修時注意事項

（1）由于高頻頭的電路結(jié)構(gòu)與電氣性能密切相關(guān)，因此，高頻頭外殼最好不要輕意打開，也不允許對其電路的結(jié)構(gòu)做任何形式的改變，以免因電路失配或其他原因引起高頻頭電氣性能下降。（2）如果發(fā)現(xiàn)高頻頭已進(jìn)水，內(nèi)部有些元器件生銹，可用刀片將銹蝕部位仔細(xì)清理后，用無水酒精擦凈，并放入干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥。

6 高頻頭常見故障案例

6.1故障案例一

C波段衛(wèi)星接收機在晚間反復(fù)出現(xiàn)失鎖，監(jiān)聽接收機節(jié)目時斷時續(xù)，白天時故障消失，接收機接收節(jié)目正常。

故障處理：斷開接收機電源，檢查發(fā)現(xiàn)高頻頭輸出電纜頭（F頭）松動，重新制作F頭并緊固，故障消失，接收機接收節(jié)目正常。

此故障是因為在高寒地區(qū)早晚溫差大，電纜熱脹冷縮的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，導(dǎo)致電纜芯線與高頻頭輸出端芯線接觸不良。

6.2故障案例二

Ku波段衛(wèi)星接收機鎖定指示燈滅，接收機無場強，Ku波段節(jié)目接收全部中斷。

故障處理：在測量電纜供給高頻頭的電源正常后，斷開接收機電源，經(jīng)測量電纜的通斷性良好之后拆開高頻頭，發(fā)現(xiàn)高頻頭輸出耦合探針在放大板上的焊點脫開，重新焊接后，節(jié)目接收恢復(fù)正常。

6.3故障案例三

在陰雨雷電天氣，一道閃電過后，所有接收機鎖定指示燈滅，接收機無場強，C、Ku波段節(jié)目全部中斷。

故障處理：經(jīng)過仔細(xì)排查過后發(fā)現(xiàn)C、Ku波段高頻頭全部被雷電擊壞，更換高頻頭后節(jié)目傳輸正常。

6.4故障案例四

C波段接收機柜內(nèi)接收機連續(xù)幾天內(nèi)場強持續(xù)下降，最后接收機鎖定燈滅，C波段節(jié)目全部中斷。

故障處理：經(jīng)排查后發(fā)現(xiàn)接收機、功分器、中頻電纜及各連接處均正常，拆下高頻頭后發(fā)現(xiàn)耦合探針部位有積水，初步判斷為饋源內(nèi)壁出現(xiàn)冷凝水造成，后來將饋源及饋源膜用玻璃膠重新進(jìn)行了密封后故障消除。

7 結(jié)語

高頻頭安裝在室外衛(wèi)星接收天線上，室外溫度突變及周圍自然環(huán)境、電磁環(huán)境的變化會對其產(chǎn)生較大影響，在由衛(wèi)星接收天線硬件引起的衛(wèi)星節(jié)目停傳事故中，高頻頭引發(fā)的故障所占比例極高。因此，熟練掌握高頻頭的結(jié)構(gòu)原理，不斷積累高頻頭的日常維護經(jīng)驗，結(jié)合本單位的工作特點以及所在地區(qū)的地理位置、氣候條件和自然環(huán)境總結(jié)出適合自身的維護規(guī)程，對做好安全傳輸發(fā)射工作至關(guān)重要。